Universal origin of boson peak vibrational anomalies in ordered crystals and in amorphous materials
在低能区，有序和无定形固体的振动光谱控制着材料的热性质和输运性质，从热容到热传导，电子-声子耦合，常规超导性等。旧的德拜模型在低能下的振动光谱给出了与频率平方成比例的振动态密度（VDOS），但是在许多材料中，光谱偏离该定律，这导致在通过频率平方归一化VDOS时出现峰值，其被称为“玻色子峰值”。从第一性原理出发，介绍了固体（晶体和玻璃）的VDOS。没有使用任何假设的存在和性质的“无序”的材料，它表明，玻色子峰在VDOS的有序晶体和玻璃自然产生的弹性模式传播和粘性阻尼之间的竞争。该理论解释了最近在完全有序晶体中观察到的玻色子峰，这是以前的理论框架无法解释的。该理论还首次解释了振动光谱如何随固体的原子密度而变化，并解释了最近对这种效应的实验观察。
2019-03-30 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Excess Vibrational Density of States and the Brittle to Ductile Transition in Crystalline and Amorphous Solids
确定材料在机械载荷下是脆性还是韧性的条件仍然是难以捉摸的，并且是材料物理学家和工程师积极研究的主题。在这项研究中，我们提出的{ \em在silico}机械变形实验从两个非常不同的模型固体在二维和三维的结果。第一个由粒子与各向同性势相互作用组成，另一个具有强烈的方向依赖相互作用。我们表明，在这两种情况下，多余的振动态密度是基本量的材料的延展性的特点。我们的结果可以通过对胶体固体的仔细实验来检验。
2015-09-01 cond-mat.soft
Sparse random matrices and vibrational spectra of amorphous solids
本文用随机矩阵方法分析了非晶态固体的振动特性。本文研究了具有非负特征值的动力学矩阵M = AA ^T。矩阵A是任意实NxN稀疏随机矩阵，每行具有n个独立的非零元素。对于所有非零元素，平均值= 0，色散<A_{ij} ^2>= V^2。< A_{ij} >对于N，n>> 1，矩阵M的振动态密度g（w）由半径与N无关的维格纳四分之一圆定律给出。我们认为，当n^2 <<N时，该模型可以用来描述非晶态固体中原子间的相互作用。矩阵M的能级统计由Wigner表面描述，对应于本征频率的排斥。在三维体系中，主要振动模式的参与比约为0.2 - 0.3，与N无关。与排斥项一起，它清楚地表明了振动激发的离域。我们表明，这些振动在空间中传播的扩散。在这方面，它们类似于Allen，Feldman等人介绍的扩散，腓Mag. B 79，1715（1999）中所述。我们的结果是在一个定性的，有时在定量协议与分子动力学模拟的真实和模型玻璃。
2011-08-09 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft
Geometric origin of excess low-frequency vibrational modes in amorphous solids
与结晶固体相比，玻璃具有大量过量的低频振动模式。我们表明，这样一个功能是一个必要的后果的几何通用弱连接固体。特别是，我们分析了最近模拟的系统，包括弱压缩球在零温度下的状态密度。我们解释了观察到的a）模式密度随频率的恒定性，b）低频截止的出现，以及c）该截止随压缩的幂律增加。我们预测了一个长度尺度，在这个尺度之下，振动与连续弹性体的振动有很大的不同。
2005-09-21 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft
Phonon transport and vibrational excitations in amorphous solids
关于非晶态固体的热性质的一个长期存在的问题是声子输运的复杂模式。实验和计算机模拟的最新进展表明了从瑞利散射到粘性阻尼的交叉。已经提出了一些理论，但缺乏关键的测试，这些理论的有效性尚不清楚。特别是，交叉频率的精确位置仍然存在争议，更关键的是，甚至瑞利散射本身的有效性也受到严重质疑。目前的工作解决了这些问题，通过使用基本的振动本征模式的信息。振动本征模最近澄清了一个广泛的频率制度：声子模式和软局域模式的混合物在连续极限和无序和扩展模式的玻色子峰制度。在这里，我们证明了瑞利散射发生在连续极限中，粘性阻尼发生在玻色子峰值区域中，因此这些行为与相应频率区域中的底层本征模有关。我们的结果明确地确定了交叉频率。此外，我们建立了声子输运的特征标度律，这是一致的平均场论的预测在较高的频率，但不一致的低频，瑞利散射制度。因此，我们的研究结果揭示了当前理论有待解决的关键问题。
2018-12-21 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
A self-consistent current response theory of jamming and vibrational modes in low-temperature amorphous solids
University of Konstanz（康斯坦茨大学）
本研究针对低温非晶固体的阻塞与振动模式问题，采用Zwanzig-Mori投影算符形式与高斯分解近似，构建超越玻恩近似的自洽电流响应理论，揭示解阻塞失稳机制及相关振动异常、声速、态密度等特征，并用ERM模型数值验证。
2024-05-10 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Boson peak in amorphous systems: role of phonon mediated coupling of nano-clusters
基于一个非晶态固体作为一个集合的耦合纳米级分子团簇称为基本块的描述，我们分析了其哈密顿量的统计特性。然后使用该信息来导出振动态（非声子）的系综平均密度，其在光谱的大部分中是高斯的，在低频区域中是艾里函数。五个玻璃的实验数据的比较证实了我们的理论预测的有效性。
2021-08-23 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Disorder-induced vibrational anomalies from crystalline to amorphous solids
玻色子峰是玻色子态密度超过德拜模型的一种现象，玻色子峰的起源至今仍有很大争议，其中一些理论和实验认为玻色子峰与van-Hove奇点有关。在这里，我们表明，玻色子峰和范霍夫奇点分离的身份，通过测量的振动密度的状态的二维颗粒系统，包装逐渐从晶体，多晶，和非晶材料的调整。我们观察到在多晶体中存在分离良好的玻色子峰和van-Hove奇异点，其中van-Hove奇异点逐渐向高频移动，同时形状变宽，当结构无序度$η$足够高时，van-Hove奇异点完全消失.通过对强无序系统（$η=1$）和无序颗粒晶体（$η=0$）以及$η$介于两者之间的中间无序系统的分析，发现玻色子峰与剪切模量$δG/\langle G \rangle$的空间不相关随机涨落有关，而van-Hove奇异性的涂抹与剪切模量$δG/\langle G \rangle$的空间相关涨落有关。
2021-04-27 cond-mat.soft
Random quench predicts universal properties of amorphous solids
非晶态固体在其力学、结构和响应方面显示出许多普遍的特征。目前的模型假设中尺度弹性性质的异质性，但需要微调，以定量解释振动特性。一个完整的模型应该通过淬火过程的模型，从最初的无结构介质中推导出弹性不均匀性的大小和特征，在淬火过程中，温度迅速降低，固体形成。在这里，我们提出了一个淬火场理论模型，并计算结构，机械和振动观测任意尺寸$d$。这使我们能够将非晶态固体的性质与初始介质的性质以及淬火的性质联系起来。我们表明，以前的平均场结果被我们的分析和统一的空间波动的弹性模量，长程相关的固有状态应力，普遍的振动异常，和本地化模式到一个画面。
2021-12-02 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft
Unified study of viscoelasticity and sound damping in hard and soft amorphous solids
针对硬与软非晶固体，提出由非德拜标度律决定的粘弹性与声衰减统一框架，并通过数值模拟验证。
2024-02-27 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft
Instabilities govern the low-frequency vibrational spectrum of amorphous solids
本研究揭示边界条件诱导的不稳定性是非晶固体低频振动模式幂律标度指数存在争议的核心原因，识别出两类弹性分支并明确其不同的VDoS标度规律，提出两种极限行为，解释了相关实验差异。
2024-12-09 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft
Novel elastic instability of amorphous solids in finite spatial dimensions
近年来，人们对非晶态固体中反常振动激发的理解取得了进展。在最低频率区域，振动光谱遵循非德拜四次定律，其持续到零频率而没有任何频率间隙。这种无隙振动态密度（vDOS）表明玻璃处于不稳定的边缘。这种边缘稳定性的特征现在被强调为玻璃理论中的一个关键概念。特别地，基于边际稳定性的弹性理论预测了无间隙vDOS。然而，这个理论产生一个二次定律和\textit{not}四次定律。为了解决这个矛盾，我们提出了一种新的不稳定性，它不同于传统的不稳定性，并提出非晶态固体是边缘稳定的，考虑到这种新的不稳定性在前面的研究中。Shimada，H. Mizuno和A. Ikeda，Soft Matter，{\bf 16}，7279，2020]。在这项研究中，我们进一步扩展和详细的结果，这些不稳定性。通过分析各种例子的障碍，我们表明，真正的玻璃在有限的空间维度可以勉强稳定的建议新的不稳定性。
2020-10-09 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft
Stability dependence of local structural heterogeneities of stable amorphous solids
非晶态固体普遍的反常振动和热性质被认为与弹性的局部变化有关。最近研究表明，振动特性对玻璃的稳定性很敏感。在这里，我们研究的稳定性依赖的局部弹性常数的模拟玻璃成形器在很宽的范围内的稳定性，从一个不良退火玻璃的玻璃，其稳定性是相当的实验室异常稳定的气相沉积玻璃。我们表明，随着稳定性的增加，玻璃变得更加均匀，证明了一个较小的方差的局部弹性常数。我们发现，根据在这项工作中使用的局部弹性模量的定义，局部弹性模量是不空间相关的。
2019-09-26 cond-mat.soft
Effective Theory of Superconductivity in Strongly-Coupled Amorphous Materials
基于对结构无序及其对振动谱的影响的有效描述，发展了强耦合非晶材料中声子介导的超导理论。该理论解释了在强耦合超导电性的Eliashberg理论中由于无序诱导的散射引起的振动激发的类扩散输运。与实验相比，该理论提供了Eliashberg函数$α^{2}F(ω)$的良好分析描述，并允许人们解开横向和纵向激励对Eliashberg函数的影响。特别地，它表明横向激发在驱动低能量下Eliashberg函数的增加或过量中起着至关重要的作用，这与玻璃振动光谱中的玻色子峰现象有关。这种低能量过剩一方面驱动电子-声子耦合的增强，但同时降低了Allen-Dynes公式中的特征能量标度$ω_{log}$。因此，$T_{c}$的非单调性作为$\text{Pb}$基系统中合金化（无序）的函数可以合理化。还分析了基于$\text{Al}$的系统的情况，其中无序从一开始就增加$T_{c}$。提出了在非晶超导体中增强$T_{c}$的一般材料设计原则。
2020-06-04 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Vibrational lifetimes and viscoelastic properties of ultrastable glasses
本文通过解析理论与分子模拟研究超稳定玻璃，揭示线性粘弹性耗散与振动模式静态和动态性质的关系，并推导出无参数模量表达式，证明准局域化模式在玻色峰以下中频范围主导粘弹性响应。
2024-02-22 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Vibrational density of states of jammed packing: mean-field theory
几种平均场论预言，在大空间维数$d\to\infty$的限制下，可以用随机矩阵写出非晶态固体的海森矩阵。受这些结果的启发，我们在这里提出了一种方法来映射的非晶态固体的海森到一个随机矩阵。这是可能的，通过确定随机矩阵的系数，使得随机矩阵的迹与原始系统的Hessian重合。我们比较我们的结果与以前的数值模拟的谐波球在几个空间维度$d=3$，$5$，和$9$。对于小的压力$p\ll 1$（近堵塞），我们发现一个很好的协议，即使在$d=3$，并获得更好的协议，在较大的$d$，这表明近似确实成为精确的限制大的空间尺寸。
2022-06-25 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Spotting structural defects in crystals from the topology of vibrational modes
本研究证明振动模式的低频特征向量场拓扑不仅能定位玻璃软点，也可预测晶体中位错、向错和 Eshelby 夹杂等结构缺陷。
2024-10-07 cond-mat.dis-nn cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Predicting plasticity of amorphous solids from instantaneous normal modes
通过将瞬时简正模（INMs）的概念扩展到变形系统，给出了非晶态固体变形和塑性的数学描述，从而保留了应变对振动态密度（VDOS）的影响。从非仿射晶格动力学（NALD）描述的弹性和粘弹性的玻璃，我们制定的线性响应理论大变形考虑应变相关的切线模量在有限值的剪切应变。的（非仿射）切线剪切模量计算的振动态密度（VDOS）的仿射应变配置在不同的应变值。在玻璃的静态（未变形）快照上分析发现的仿射应变导致了富含软低能模式以及不稳定模式（负本征值）的配置，如果在应变后让系统松弛，则这些模式将被完全“洗掉”和丢失。该过程与NALD的结构完全一致。变形状态的INM谱允许分析预测模型玻璃的应力-应变曲线，包括预测屈服点。良好的无参数定量协议之间的预测和模拟的无热准静态剪切的粗粒度聚合物玻璃。
2022-06-01 cond-mat.dis-nn cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Structural, mechanical, and vibrational properties of particulate physical gels
我们的生活被各种各样的无序材料包围着。特别是，玻璃是众所周知的致密，无定形材料，而凝胶存在于低密度，无序状态。最近的进展提供了一个重要的一步，在理解玻璃的材料性能，如机械，振动和传输性能。相比之下，我们对颗粒物理凝胶的了解仍然非常有限。在这里，使用分子动力学模拟，我们研究了一个简单的模型的颗粒物理凝胶，Lennard-Jones（LJ）凝胶，并提供了一个全面的了解其结构，机械和振动特性，所有这些都是显着不同的玻璃。首先，LJ凝胶显示出稀疏的、不均匀的结构，并且结构的长度尺度$ξ_s$随着密度的降低而增长。第二，凝胶非常软，剪切$G$模量和体积$K$模量都比玻璃小几个数量级。第三，许多低频振动模式被激发，其在振动态密度中形成具有起始频率$ω_\ast$的特征平台。分别用$ξ_s$、$G$、$K$和$ω_\ast$表征的结构、机械和振动性质显示出与密度的幂律标度行为，这在它们之间建立了密切的关系。在整个本工作中，我们揭示了凝胶是多尺度的，固态材料：（i）均匀的弹性体在长的长度，（ii）异质弹性体的分形结构在中间的长度，和（iii）无定形结构体在短的长度。
2021-09-25 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Excitation of vibrational soft modes in disordered systems using active oscillation
我们提出了一种新的方法来表征固体中粒子振动的空间分布，与通常的简正模分析相比，具有更低的计算成本。在二维无热阻塞系统中，通过对每个粒子的大小施加一个小振幅的主动振荡，以相同的驱动频率激发特定的振动模式。然后获得作为粒子的实时位移的响应。我们显示出显着的实时位移和传统的正常模式分析得到的特征向量之间的相关性。更重要的是，从这些实时位移中，我们可以测量粒子振动的参与率和空间偏振。从这些测量中，我们发现三个不同的频率制度，其特征的空间分布和相关的颗粒的振动堵塞非晶态固体。此外，我们可以将这种方法应用到一个更大的系统中，以更高的频率空间分辨率来研究非晶态固体的低频行为。
2016-05-22 cond-mat.soft
Effects of coordination and pressure on sound attenuation, boson peak and elasticity in amorphous solids
连通性和外加应力强烈影响固体的弹性。在各种非晶态固体中，机械稳定性可通过降低连通性或通过增加压力而丧失。我们提出了一个有效的介质弹性理论，扩展了以前的方法，通过将压缩的效果，振幅$e$，允许一个描述的声音传播，运输，玻色子峰值，和弹性模量附近的弹性不稳定性发生在压缩$e_c$的定量特征。该理论解开了几个频率特征的振动光谱：开始频率$ω_0\sim \sqrt{e_c-e}$的强散射模式出现在振动光谱，压力无关的频率$ω_*$的状态密度显示平台，玻色子峰值频率$ω_{BP}$，和约菲Regel频率$ω_{IR}$的散射长度和波长变得相等。我们预测，在$ω_0$，声音衰减从$ω^4$过渡到$ω^2$行为。我们预测，频率依赖的长度尺度$l_s(ω)$和声速$ν(ω)$特征振动模式，并可以从散射数据中提取。一个关键的结果是预测一个平坦的扩散率以上$ω_0$，与以前无法解释的意见。我们发现，剪切模量并没有消失在弹性不稳定，但下降了2倍。我们检查我们的预测在软粒子包装和研究共价网络和二氧化硅的情况下。总的来说，我们的方法统一的声音衰减，运输和长度尺度进入弹性在一个单一的框架中，无序不是控制玻色子峰的主要参数，与观察一致。这个框架导致了一个相图，其中可以放置各种玻璃，将微观结构与振动特性联系起来。
2014-02-22 cond-mat.soft
Disorder by design: A data-driven approach to amorphous semiconductors without total-energy functionals
本文讨论了一个困难的逆问题，涉及重建的三维模型的四面体非晶半导体衍射数据通过反演。通过将材料结构确定作为多目标优化程序，已经表明，可以使用一些结构约束准确地解决该问题，但没有描述非晶网络的局部化学的总能量泛函/力。该方法产生高度逼真的非晶硅模型，没有或只有少量的配位缺陷（$\le$ 1%），窄键角分布的宽度为9-11.5度，和0.8-1.4 eV的电子间隙。这些数据驱动的基于信息的模型已经被发现产生与实验数据准确匹配的非晶硅的电子和振动特性，并与Wooten-Winer-Weaire（W3）模型相媲美。该研究证实了多目标优化方法对复杂材料结构确定的有效性，并解决了一个长期存在的争议，通过反演衍射数据获得的四面体非晶半导体模型的唯一性。
2019-12-05 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Unifying Plasticity in Ordered and Disordered Matter using Topological and Geometrical Descriptors
Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学）；Wilczek Quantum Center, Shanghai Jiao Tong University（上海交大吴健雄量子中心）；Chengdu University of Technology（成都理工大学）
本文通过引入位错、位形变和不兼容密度场，揭示了无序材料中塑性流动区域的识别问题，并展示了这些场在二维玻璃和三维颗粒系统中的预测能力，揭示了旋转缺陷在三维中的主导作用。
2026-09-22 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Scaling up the lattice dynamics of amorphous materials by orders of magnitude
我们推广的非仿射粘弹性理论与大型，良好的采样系统的任意化学复杂性。考虑到预测的机械和振动性质的非晶系统与原子的分辨率，我们提出了一个扩展的核多项式方法（KPM）的振动态密度（VDOS）和本征模式的计算，包括$Γ$相关的仿射力场，这是一个关键成分的晶格动力学计算的粘弹性。我们表明，结果收敛以及通过直接对角化（DD）的Hessian（动态）矩阵得到的解决方案。众所周知，DD方法对于具有$N=10^4$原子或更大原子的系统具有过高的计算要求。相反，这里开发的KPM方法允许将实际材料的晶格动力学计算扩展到$10^6$原子，使用$N$的计算时间和内存消耗具有非常有利的（线性）缩放。
2020-07-24 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft physics.comp-ph
Prestressed elasticity of amorphous solids
非晶态固体中的预应力具有其形成的记忆，并且在其机械性能中起着深刻的作用，从硬化或软化弹性模量到移动振动模式的频率，以及在非线性区域中引导屈服和固化。在这里，我们开发了一套数学工具来研究预应力离散网络的弹性，解开混乱的影响，在配置和预应力混乱。将这些方法应用到预应力三角形晶格和非晶态固体的计算模型中，我们证明了预应力对弹性的重要性，并揭示了预应力引起的一些有趣的效应，包括预应力固体特有的应力响应的强烈空间异质性，最小偶极刚度的幂律分布，以及分类松弛模式的新标准。
2021-10-14 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Two-temperature continuum thermomechanics of deforming amorphous solids
有一个不断增长的需要预测模型的弹粘塑性变形的固体。本文的目标是将最近发展的非平衡统计概念纳入一个热力学一致的、有限变形的、连续的非晶态固体变形框架中。基本前提是，材料的构型自由度--对应于机械稳定微观构型的内能/熵部分--的特征在于构型温度可能不同于振动自由度的温度，振动自由度与外部热浴迅速平衡。这导致近似的内能分解成弱相互作用的构型和振动子系统，其按照傅立叶定律交换能量，导致允许两个明确定义的温度的热机械框架。在这个框架中，内部变量，携带信息的状态的材料平衡的配置子系统，明确地与能量和熵的自己，并耦合到粘塑性流动规则。确定不同内部系统之间熵和热的流动速率的系数被提出来明确地依赖于不可逆变形的速率。作为这个框架的应用程序，我们讨论了两个本构模型的玻璃材料，一个简单的唯象模型和模型的概念相关的剪切转换区作为内部变量的基础。这些模型解释了玻璃变形现象学的几个显著特征。未来的调查方向进行了简要讨论。
2014-01-06 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Heterogeneous attenuation of sound waves in three-dimensional amorphous solids
该研究通过数值模拟解析三维非晶固体中受激声子的时空动力学，揭示瑞利散射区声波衰减的时空非均匀性，并发现衰减首先发生在与低频振动模式相关的软区，随后以表观扩散方式扩展至整个系统。
2024-01-17 cond-mat.soft
Vibrational density of states and specific heat in glasses from random matrix theory
玻璃的低温性能与结晶物质存在重要差异。特别是，像德拜模型这样的模型，假设存在一个基本的规则晶格，预测固体的比热在低温下随温度的立方而变化。至少自20世纪70年代以来，一个公认的实验事实是，玻璃的比热在$T$中在$T \sim 1K$处恰好是线性的，并且当用$T^{3}$归一化时呈现出明显的峰，称为玻色子峰。在这里，我们提出了一种新的方法，这表明振动光谱的随机矩阵部分的影响的非晶态固体的振动和热性质。该模型也能够再现，第一次，实验观察到的玻色子峰之间的反比在比热和剪切模量。
2023-01-02 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Low temperature Universalities in amorphous systems: role of microscopic length scales
我们发现，在固体分子之间的色散力和它们的声子介导的耦合之间的竞争导致一个自然的长度尺度的基础上的分子参数和相关的破译玻璃异常。对于非晶态体系，长度尺度属于中等拓扑级，其与分子间最接近距离的比值为常数。这又导致材料独立的，恒定值的比率${γ_l \over γ_t}$，与$γ_l$和$γ_t$作为耦合强度为两个无定形分子介导的纵向和横向声子（也称为迈斯纳-贝雷特比），从而提供了一个理论解释的实验观察到的定量普遍性\cite{mb}。上述长度标度还与振动谱的Ioffe-Regel频率和玻色子峰频率有关，表明前者与后者在横向声子动力学中是同阶的。
2021-01-02 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Theory for the density of interacting quasi-localised modes in amorphous solids
在非晶态固体的低频振动谱中出现准局域模。虽然从来没有正式的，这些模式被认为有密切的关系，与其他重要的本地激励，包括剪切转换和两个层次的系统。我们提供了一个理论，其频率密度，$D_{L}(ω)\simω^α$，建立这种联系的系统在零温度下的准静态负载。它预测了两个制度取决于密度的剪切转换$P(x)\sim x^θ$（与$x$的额外的应力需要触发剪切转换）。如果$θ>1/4$、$α=4$和有限部分准局域模形成剪切变换，其振幅在低频处消失。如果$θ<1/4$、$α=3+ 4 θ$和所有准定域模式在消失频率处形成具有有限振幅的剪切变换。我们在数字上证实了我们的预测。
2019-03-04 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Yielding and plasticity in amorphous solids
本文从统计力学视角综述了非晶态固体在小变形、屈服转变及堵塞转变附近的力学行为，并拓展到致密生物与活性材料流变学研究。
2024-01-17 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Yield stress in amorphous solids: A mode-coupling theory analysis
屈服应力是非晶材料的一个定义性特征，它很难在理论上进行分析，因为它来源于受约束固体对外加变形的强烈非线性响应。模式耦合理论预测了经历玻璃化转变的材料的流动曲线，从而为非晶态固体的屈服应力提供了预测。我们使用这种方法来分析几类无序固体，使用简单的模型，硬球玻璃，软玻璃，金属玻璃的模式耦合的预测可以直接比较数值测量的结果。该理论正确地描述了熵性质的屈服应力在硬球玻璃中的出现，以及它在密度接近随机密堆积时的快速增长。相比之下，软质和金属玻璃中固体行为的出现，这源于直接的粒子相互作用，并没有很好地描述的理论。我们发现，类似的缺点出现在描述的玻璃相在休息时的振动动力学。我们讨论了模式耦合理论的适用范围，以了解屈服应力和非线性流变的非晶材料。
2013-07-11 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Entropy favors heterogeneous structures of networks near the rigidity threshold
非晶材料的动力学性质和力学功能取决于其微观结构，特别是相互作用网络的弹性，这通常是复杂的结构异质性。非晶材料的这种普遍存在的异质性有趣地归因于熵的复杂作用。在这里，我们表明，在无序网络中，通过创建相分离的结构时，相互作用的连接是接近网络刚性的发病振动熵增加。的应力-能量，这反过来惩罚的异质性，最终占主导地位的刚性阈值在玻璃化转变的一个较小的附近，并创建一个均匀的中间相。这张照片的结构变化之间的均匀和不均匀的阶段，通过不同的连接提供了一个解释中观察到的硫系玻璃的过渡。
2018-02-28 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Avalanches in Strained Amorphous Solids: Does Inertia Destroy Critical Behavior?
模拟被用来确定惯性对二维二元Lennard-Jones玻璃的非热剪切的影响。在准静态极限，剪切发生通过一系列快速雪崩。雪崩的分布分析使用有限尺寸标度与成千上万的粒子。惯性使系统进入一个新的欠阻尼普适类，而不是使系统远离临界状态。标度指数确定的欠阻尼和过阻尼的限制和临界阻尼，分开这两个制度。系统是在过阻尼普适类，即使大多数振动模式是欠阻尼。
2012-04-26 cond-mat.soft
A unifying model for random matrix theory in arbitrary space dimensions
本文提出并分析了一种用于研究非晶态固体弹性振动模式的稀疏随机块矩阵模型。通过评估一些时刻，基准对数值，在不同的限制空间维度$d$，并为任意值的晶格配位数$Z$，该模型的本征值谱的差异，显示和讨论。作为这两个参数（及其比值$Z/d$）的函数，随机矩阵理论中研究最多的模型（Erdos-Renyi图、有效介质、副本）可以在块维数$d$的各种限制下重现。值得注意的是，Marchenko-Pastur谱密度（通过拉普拉斯矩阵的复制计算恢复）在块的无限大小的限制下精确地再现，或$d\rightarrow\infty$，这是第一次澄清了这些模型中空间维度的物理意义。由我们的方法提供的$d=3$的近似结果在未来有许多潜在的应用，从玻璃和弹性网络的振动谱，波局域化，无序导体，随机电阻网络和随机行走。
2017-10-13 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Mechanical Behaviour of Glasses and Amorphous Materials
广泛的材料可以微观上无序的固体形式存在，称为非晶态固体或玻璃。这类材料--氧化物玻璃和金属玻璃、聚合物玻璃以及软固体如胶体玻璃、乳液和颗粒填料--在各种情况下都可用作结构材料。它们的变形和流动行为与许多其他方面有关。除了与这些固体的形成有关的基本问题之外，理解它们的机械行为因此是有趣的，并且对于它们作为材料的使用具有重要意义。特别是，非晶态固体的塑性和屈服行为的本质已被积极地研究。不同的非晶态固体表现出明显不同的行为，并且与晶体材料的行为在性质上不同。最近研究的一个目标是理解非晶塑性的统一特征，并了解它们之间的明显差异。我们总结了一些最近在这方面的进展。我们专注于从计算机模拟研究中获得的见解，特别是那些采用振荡剪切变形的模型玻璃。
2021-08-19 cond-mat.soft
The $ω^3$ scaling of the vibrational density of states in quasi-2D nanoconfined solids
原子振动在各种物理、化学和生物系统的功能中起着至关重要的作用。Debye理论很好地描述了晶体块体材料的振动性质和比热，它在很少的基本假设下成功地预言了块体有序固体振动态密度（VDOS）的二次$ω^{2}$低频标度。然而，自由度更少的纳米限制材料的类似框架还远没有得到很好的探索。使用非弹性中子散射，我们的特点是VDOS的无定形冰局限于一个厚度为$\approx 1$ nm的氧化石墨烯膜内，我们观察到一个交叉从德拜$ω^2$缩放到一个异常的$ω^3$行为时，减少限制大小$L$。此外，使用分子动力学模拟，我们证实了实验结果，也证明了这样的缩放的VDOS出现在晶体和非晶态固体板约束下。我们从理论上证明了这种低频$ω^3$定律是由沿一个空间方向的约束引起的动量相空间的几何约束引起的。最后，我们预测，德拜标度再现在一个特征频率$ω_\times= v L/2π$，与$v$的材料的声速，我们证实了这一定量估计与模拟。通过结合理论，实验和模拟结果揭示的这种新的物理现象与合成和生物背景下的无数系统有关，它可能会影响纳米器件或薄膜等受限系统的各种技术应用。
2022-04-29 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Relation of vibrational excitations and thermal conductivity to elastic heterogeneities in disordered solids
在晶体中，分子围绕周期性晶格位置热振动。振动运动可以用声子来理解，声子携带热量并控制热量传输。在无序固体中，情况明显不同，其中振动激发不是声子，甚至可以是局域的。最近的数值计算工作建立了弹性不均匀性的概念：无序固体显示不均匀的局部力学响应。显然，弹性性质的非均匀性强烈影响振动和热性质，预计它是异常特征的起源，包括玻色子峰，振动局域化和热导率的温度依赖性。这些都是材料物理学中长期存在的关键问题，我们将在本工作中解决这些问题。我们已经考虑了一个玩具模型，通过引入越来越多的尺寸无序，能够稳定不同的物质状态。通过分子动力学模拟生成的相图包括具有空间均匀弹性模量分布的完美结晶状态、具有增加的模量不均匀性的多个缺陷相以及最终的一系列非晶态。我们已经建立了明确的非均匀局部力学响应，振动状态和热导率之间的相关性。我们提供的证据表明，弹性不均匀性控制振动和热性能，是一个关键的概念，以了解无序固体的异常令人费解的功能。
2016-10-24 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
On Variational Arguments for Vibrational Modes near Jamming
非晶态固体倾向于呈现丰富的软弹性模式，这降低了它们的输运性质，在它们的弹性响应中产生不均匀性，并且影响非线性过程，如塑性的热激活。这是特别真实的，在包装的颗粒附近的堵塞过渡，有效介质理论和变分参数都可以预测振动模式的密度。然而，最近的数值支持变分论点的一个假设不成立。我们提供了一个新的变分参数，克服了这个问题，并正确地预测了软模附近的干扰过渡的标度特性。软模式被证明是相关的响应，在更多的连接网络的局部应变，其特征在于由体积$1/δz$，其中$δz$是超过麦克斯韦阈值的多余的协调。这些预测得到了数值验证。
2016-02-14 cond-mat.soft
Low-frequency vibrational modes of stable glasses
我们数值研究的振动态密度的演变$D(ω)$的零温玻璃时，它们的动力学稳定性是在一个非常宽的范围内变化，范围从不良退火的玻璃获得的瞬时淬火从以上的起始温度，超稳定的玻璃淬火系统热低于实验玻璃温度。态密度的低频部分在扩展模和准局域模之间分裂。扩展模式表现出玻色子峰交叉德拜行为（$D(ω) \sim ω^2$）在低频，与两个制度之间的强相关性。而准定域模式则服从$D(ω) \sim ω^4$，与玻璃稳定性无关。然而，在更稳定的玻璃中，该四次定律的前因子变得更小，并且相应的模式变得更局域化和稀疏。我们的工作是第一次数值观测准本地化模式在一个制度相关的实验，它建立了玻璃稳定性和软振动运动之间的直接联系在非晶态固体。
2019-01-04 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Universal non-Debye low-frequency vibrations in sheared amorphous solids
本文研究了具有简单剪切自由度的非晶态固体的能量最小构型。我们表明，结构玻璃形成者的振动态密度的低频制度是至关重要的敏感的配置采样的应力合奏。在二维和三维中，剪切稳定的系综显示出$D(ω_{\min}) \sim ω^{5}_{\min}$状态，与在无应变条件下观察到的$ω^{4}_{\min}$状态相反。我们还研究了一个系综的二维，应变非晶态固体附近的塑性事件。我们发现，在$γ_{P}$发生的塑性事件附近的应变$γ$的最小本征值分布，显示崩溃时，按$\sqrt{γ_P - γ}$缩放，并与粒子数为$N^{-0.22}$。值得注意的是，在低频率下，该比例分布显示出稳健的$D(ω_{\min}) \sim ω^{6}_{\min}$幂律状态，其在大的$N$极限下存活。最后，我们通过对塑性事件附近的海森矩阵的第二和第三特征值的表征，探讨了这个系综的普适性质。
2021-12-12 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Growing timescales and lengthscales characterizing vibrations of amorphous solids
结晶固体的低温性质可以用完美晶格周围的谐波微扰来理解，如德拜理论。然而，非晶态固体的低温性质强烈地偏离这些描述，显示出增强的传输、跨越能量势垒的激活的慢动力学、相对于德拜理论的过量振动模式（即，玻色子峰），以及对小的机械变形的复杂的不可逆响应。这些实验观察间接表明，非晶态固体的动力学在低温下变得异常。在这里，我们提出了直接的数值证据，振动改变性质在一个明确的位置内的玻璃相的一个简单的玻璃成型机。我们提供了一个真实的空间描述这种转变和快速增长的时间和长度尺度，伴随it.We的研究结果提供了种子的低温玻璃异常的理论框架内最近发现的加德纳相变的普遍理解。
2016-05-13 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft
Scaling of phononic transport with connectivity in amorphous solids
以随机弹簧网络为模型系统，从理论上研究了协调对输运的影响。一个有效的介质近似计算的振动模式的态密度，它们的能量扩散率（运输的光谱测量）和它们的空间相关性的网络协调$z$是不同的。在这些网络失去刚性的情况下，获得了作为$z\to z_c$的临界行为。在某些频率$ω^*\sim z-z_c$处，出现从模式为平面波状的区域到扩展但强散射模式区域的急剧交叉，该频率不符合Ioffe-Regel准则。在$ω^*$以上，态密度和扩散率几乎不变。这些结果同意显着最近的数值观测排斥粒子附近的干扰阈值\cite{ning}。分析进一步预测，表征散射模式的位移的相关性的长度尺度随频率衰减为$1/\sqrtω$，而对于$ω<<ω^*$瑞利散射被发现与散射长度$l_s\sim (z-z_c)^3/ω^4$。有人认为，这种描述适用于石英玻璃，它比较以及与热导率数据，并在颗粒物质中的横向超声传播。
2010-03-01 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Universal non-Debye scaling in the density of states of amorphous solids
在干扰过渡，无定形填料是已知的显示异常振动模式的态密度（DOS），保持恒定的低频。然而，在更高密度下DOS的缩放仍然不清楚。人们可能会期望找到简单的德拜标度，但最近的结果从有效介质理论和平均场模型的精确解都预测一个异常的，非德拜标度。然而，作为平均场解，这些解仅严格适用于无限空间维度的限制，并且不清楚它们对有限维系统有什么价值。在这里，我们研究包装的软球在3至7维，并发现，远离干扰，一个普遍的非德拜标度的DOS是一致的平均场的预测。我们还考虑如何软模式参与率收敛到平均场预测的尺寸增加。
2015-12-30 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft
Universal low-frequency vibrational modes in silica glasses
最近的研究表明，不同的简单模型的玻璃成型与二元相互作用定义的普遍性类的准本地化的低频模式的状态密度。可以解释的是，一旦避免了与标准德拜（扩展）模式的杂交，许多这样的模型表现出普遍的状态密度，取决于模式频率为$D(ω) \sim ω^4$。然而，这个普适性类的范围有多广，以及它是否也适用于玻璃成型机的更现实的模型，这是未知的。为了解决这个问题，我们提出了分析的准本地化模式在二氧化硅，网络玻璃，其中有二元和三元相互作用。我们的结论是，在3维二氧化硅表现出非常相同的频率依赖性在低频率，这表明这种普遍的形式是一个通用的结果，无定形glassiness。
2020-03-17 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Low-frequency vibrations of jammed packings in large spatial dimensions
非晶态填充物制备在附近的干扰过渡发挥核心作用，在理论研究的振动光谱的玻璃。两种平均场论预言，振动态密度$g(ω)$服从一个特征幂律，即$g(ω)\simω^2$，在低频区称为非德拜标度。然而，数值研究报告称，由于有限维效应，这种标度在低频下会分解。在这项研究中，我们准备了无定形包装的$128000$颗粒的空间尺寸从$d=3$到$d=9$的非德拜标度的有效性范围。我们的数值计算结果表明，非德拜标度服从下降到一个频率，逐渐减少的$d$增加，并可能为大$d$消失，与平均场预测。我们还表明，预应力是一个有效的控制参数，定量比较包装在不同的空间尺寸。
2019-10-16 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft
Impact of elastic inhomogeneity on collective dynamical properties investigated by field theoretical description in real space
Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学）；Wilczek Quantum Center, School of Physics and Astronomy, Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学物理与天文学院吴健雄量子中心）
本文通过实空间场论方法研究弹性非均匀性对非晶固体低频密度态的影响，揭示了非均匀弹性引起的散射效应及异常模式的存在。
2025-10-13 cond-mat.soft
Revealing the Geometrical and Vibrational Properties of the Defects Driving the Boson Peak
本研究提出分离杂化声子与局域振动的方法，揭示玻色峰源于二维剪切缺陷，并统一了准局域四极缺陷与弦状结构的概念。
2025-10-09 cond-mat.soft
A flat-band perspective on the boson peak in amorphous solids
Nanyang Technological University（南洋理工大学）；State Key Laboratory of Nonlinear Mechanics, Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences（中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室）；University of Chinese Academy of Sciences（中国科学院大学）；Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学）
本文从动力学角度探讨非晶固体中玻色峰的成因，提出玻色峰源于振动谱权重在窄频窗内的积累，而非传播激发，并通过实验和模拟数据支持这一观点。
2026-04-10 cond-mat.soft
Resonant Coupling and the Non-Phononic Flat Band in Amorphous Solids
School of Physics and Astronomy, Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学物理与天文学院）；Wilczek Quantum Center, School of Physics and Astronomy, Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学物理与天文学院吴徵镒量子中心）；School of Science and Engineering, The Chinese University of Hong Kong (Shenzhen)（香港中文大学（深圳）理学院）
本文通过共振耦合模型，解释了非晶固体动力学结构因子中非声子平带的主要特征及其与玻色峰的关联。
2026-08-18 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Correlation between vibrational anomalies and emergent anharmonicity of local potential energy landscape in metallic glasses
玻色子峰（BP）是无序和晶体材料的拉曼和非弹性散射光谱中的普遍特征。目前的范式提出了玻色子峰作为弹道（声子）和扩散型激发之间的Ioffe-Regel交叉的结果，其中声子的相干性损失被描述为由于结构无序的纯谐波过程。BP的这种“和谐无序”范式从未在原子水平上受到挑战或测试。在这里，通过一组原子分辨的非晶金属合金的表征，我们发现了一个强大的玻色子峰的强度和激发的激活能之间的反比在势能景观（PEL）。较大的玻色子峰与较浅的盆地和较低的激活障碍，因此，与强烈的非谐部门的PEL。从原子模拟的数值证据表明，太赫兹原子振动的BP在原子玻璃中贡献最大的是强烈的非谐，证明了通过非常大的值的原子和模式分辨Grüneisen参数发现的原子振动构成的BP。这些结果提供了一个直接的桥梁之间的振动光谱和拓扑结构的PEL在固体中，并指向一个新的“巨大的非谐性”的范例，通用的无序材料和声子玻璃的问题，在新兴材料的能源应用。从这个意义上说，无序和非和谐是同一枚硬币的两面。
2022-01-13 cond-mat.dis-nn cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Enhanced Vibrational Stability in Glass Droplets
本文通过模拟发现，采用慢退火协议在开放边界条件下制备的非晶固体相比周期性边界具有更少的低频振动模式，其态密度标度律发生改变，展现出增强的振动稳定性，但在引入宏观应力后该行为会恢复。
2023-10-10 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft
The Physics of Topological Defects in Glasses
University of Milan（米兰大学）；University of Greifswald（格赖夫斯瓦尔德大学）；University of Amsterdam（阿姆斯特丹大学）；DEVCOM Army Research Laboratory（德文康姆陆军研究实验室）；Indian Institute of Science Education and Research Pune（印度科学教育与研究学院浦那分校）
综述玻璃中拓扑缺陷的理论、数值与实验进展，揭示其与塑性变形和剪切带形成的关联，为无序材料塑性提供新视角。
2026-07-03 cond-mat.dis-nn cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
The anomalous density of states and quasi-localized vibration through homogeneous thermalization of an inhomogeneous elastic system
本研究从准平衡条件出发，通过解析证明非均匀弹性系统的均匀热化可解释非晶态固体低频VDOS的ω⁴反常及高频向德拜ω²定律的转变，为该现象提供了基础物理层面的解释。
2025-01-19 cond-mat.soft
