首次揭示非晶材料“玻色峰”的动量空间特征及物理起源

振动是固体动力学的重要组成部分，振动模式与振动态密度也是理解固体材料中的动力学激发、力学与热输运性质等诸多物理问题的基础。晶体具有平移对称性，其振动模式表现为平面波声子。在低频下晶体的振动态密度遵从德拜模型，即振动态密度与频率的平方成正比。然而，非晶态物质由于结构长程无序，其振动态密度在低频并不符合德拜模型，而是表现出相对于晶体而言过高的振动态密度，通常称为玻色峰。因此，非晶态物质在低温下（5～30K）也表现出相对于晶体过剩的比热异常，被称为比热玻色峰。

自上世纪五十年代首次在二氧化硅玻璃中观测到玻色峰以来，研究人员已经发现玻色峰普遍存在于各种非晶态物质中，包括氧化物玻璃、金属玻璃、高分子玻璃、硫化物玻璃、应变玻璃、胶体玻璃等，尽管这些非晶态物质的微观结构和相互作用等各不相同。因此，玻色峰被认为是非晶态物质的典型特征和指纹，对其机理的认识一直被视为打开玻璃本质之门的关键钥匙。然而，玻色峰的起源仍不清楚，且存在很大的争议。到目前为止，多种理论或模型都可以在一定程度上解释玻色峰现象，但是玻色峰真正的起源仍然是未解之谜。因此，亟待寻找新的视角或证据去重新审视现有的诸多理论，从而鉴别出玻色峰真正的物理起源。

在此背景下，2007so太阳集团李茂枝教授课题组与香港城市大学王循理教授课题组合作，同时联合中国科公司物理研究所、松山湖材料实验室、南京理工大学及美国橡树岭国家实验室等，利用中子散射大科学装置并结合理论模拟，对典型金属玻璃CuZr体系以及模型体系的振动动力学性质开展了系统深入的测量、表征和理论分析，揭示了玻色峰在动量空间的完整物理图像，为澄清玻色峰的物理起源提供了新的证据。相关研究结果以《Spatial Correlation at the Boson Peak Frequency in Amorphous Materials》为题在 Nature Communications 17, 860 (2026) 上发表。

这项突破建立在该团队2020年发表于 Physical Review Letters（PRL 124, 225902）的工作基础之上。彼时，团队利用飞行时间非弹性中子散射技术，首次在金属玻璃中观测到高频横波声子，证明了非晶体系中同样存在类横声子的集体振动模式。以此为起点，团队将目光投向了更为复杂、更具基础意义的低频玻色峰区域，旨在回答一个更深层次的问题：玻色峰是否也具有明确的空间关联特性？它与静态原子结构之间是否存在普适的内在联系？

图1: Zr₄₆Cu₄₆Al₈金属玻璃中玻色峰(BP)的动量依赖性。非弹性中子散射实验（INS）与分子动力学模拟（MD）揭示了玻色峰的两个独特“指纹”：其能量位于约5.5 meV，且不随动量Q变化而色散（a, b）；玻色峰的强度与静态结构因子S(Q)高度相关（c, d），表明玻色峰与材料的静态结构存在内在联系。

团队选取典型的锆基大块金属玻璃作为模型体系，综合利用美国散裂中子源（SNS）ARCS谱仪的非弹性中子散射、比热测量、拉曼散射及分子动力学模拟，对玻色峰展开了系统探究。研究发现，玻色峰的动量依赖展现出两个清晰特征：第一，玻色峰的能量在很大动量范围内保持不变，呈现“无色散”特性（图一a, b）；第二，其激发强度与描述材料静态原子排列的结构因子S(Q)展现出精确的定量对应关系（图一c, d）。 这两个特征共同构成了玻色峰的独特“指纹”。

基于这些实验和模拟结果，研究团队首次导出描述玻色峰激发的动态结构因子解析表达式。更深入的机制分析指出，局部原子剪切应变的随机涨落，是同时产生上述“无色散”能量和“类S(Q)”强度两个关键特征的物理根源。团队通过系统排除局域配位数、近邻距离、非仿射应变和体积应变等多种其他可能的涨落模型，强有力地证实了局域剪切应变涨落的核心作用。

这项研究通过中子散射大科学装置与理论模拟的深度融合，系统揭示了玻色峰的动量空间关联特性，为理解其物理起源提供了新的路径和实验证据。研究不仅解答了凝聚态物理领域的基础科学问题，更指出局域剪切应变涨落是理解非晶材料中玻色峰的核心线索，为构建和完善非晶态物质的基本理论框架提供了关键基石。

该研究得到了国家自然科学基金（52031016, 12574220, 51631003, 52301214, 52192601, 52222104）、香港研究资助局(JLFS/P-101/24)、香港裘槎基金（9500008）等的资助。李茂枝教授和王循理教授为共同通讯作者，李西阳副研究员（中国科公司物理所）、张华平副研究员（李茂枝教授指导的博士生，现任职于松山湖材料实验室）为共同第一作者。

相关工作链接：Spatial Correlation at the Boson Peak Frequency in Amorphous Materials.  https://www.nature.com/articles/s41467-025-67574-y