晶體內(nèi)原子的振動行為可以描述為一系列格波,這些格波的能量可以被量子化為聲子。在低頻區(qū)域,晶體的格波行為可近似視為連續(xù)介質(zhì)的彈性波,遵循經(jīng)典的德拜模型。然而,對于非晶態(tài)物質(zhì)(即結(jié)構玻璃),其低頻振動總是偏離德拜模型,并出現(xiàn)態(tài)密度過剩的現(xiàn)象。這種反常特征被稱為玻色子峰(Boson peak),通常被視為非晶材料的標志性特征之一。除了結(jié)構玻璃外,當某種序參量(如磁矩或晶格應變)呈現(xiàn)無序狀態(tài)時,晶體中同樣會出現(xiàn)玻色子峰。例如,自旋玻璃中的磁玻色子峰以及應變玻璃中由橫向聲子模軟化所引發(fā)的類玻色子峰。盡管在一些電偶極無序的材料中,如弛豫鐵電體,也觀察到了低溫比熱異常的現(xiàn)象,但由于這些材料中同時混雜了結(jié)構無序的干擾,因此至今尚不清楚純凈偶極玻璃態(tài)(Dipole glass)中是否也會出現(xiàn)玻色子峰。
近期,中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心先進材料與結(jié)構分析實驗室A02課題組的博士生劉兆龍,在陳小龍研究員和金士鋒副研究員的指導下,與國家納米科學中心的高玉瑞研究員等合作,在結(jié)構高度有序的(CH3NH3)4InCl7單晶中,觀測到了類玻色子峰現(xiàn)象。單晶衍射、電荷密度分析和變溫拉曼測試等數(shù)據(jù)均表明,(CH3NH3)4InCl7材料的晶體結(jié)構(空間群為Pn)高度有序。其中,CH3NH3分子上氫原子的電荷均清晰可見,但結(jié)構中1/7的Cl離子未直接成鍵。對(CH3NH3)4InCl7單晶的低溫比熱測量顯示,樣品在約7K處出現(xiàn)了明顯的類玻色子峰行為。類似于結(jié)構玻璃,該絕緣材料的極低溫比熱擬合中出現(xiàn)了線性項(γT),并在1K以下出現(xiàn)了由雙能級系統(tǒng)(TLS)貢獻的比熱向上轉(zhuǎn)折現(xiàn)象?;诮Y(jié)構分析、電極化測量以及DFT計算,研究團隊提出,這些未成鍵Cl離子在7K仍具有極低的無規(guī)移動能量勢壘(小于kT),即使小的無規(guī)移動(~0.1埃)也可引發(fā)偶極子可觀的隨機變化,導致了晶體內(nèi)的偶極無序,因此(CH3NH3)4InCl7可以被視為一種不存在結(jié)構無序的偶極玻璃。此外,比熱數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的TLS線性項和轉(zhuǎn)折的現(xiàn)象表明,隧穿模型在偶極玻璃中也依然有效。該發(fā)現(xiàn)不僅為玻色子峰的出現(xiàn)提供了新的起源,還引入了偶極玻璃的一種新形態(tài),證明在不存在結(jié)構無序的系統(tǒng)中,偶極無序仍可作為玻色子峰異常的來源。
相關研究成果以“Boson-Peak-Like Anomaly Induced by Dipole Disordered States in (CH3NH3)4InCl7”為題在Physical Review Letters雜志上于2024年11月20日在線發(fā)表。中國科學院物理研究所博士生劉兆龍為第一作者,陳小龍研究員、金士鋒副研究員,國家納米研究中心高玉瑞研究員為共同通訊作者。物理所李世亮研究員,懷柔綜合極端條件實驗裝置(SECUF)為相應的實驗方面提供了幫助。該工作受到了中國科學院前沿科學重點研究計劃,國家自然科學基金委、國家重點研發(fā)計劃的資助。
文章DOI:10.1103/PhysRevLett.133.216101
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圖(a) (CH3NH3)InCl7晶體結(jié)構;(b)?Cp/T-T關系圖;(c) (CH3NH3)InCl7的類玻色子峰;(d) TLS現(xiàn)象。