统一模型可以解释固体中的振动异常

声子是固体材料中的声音粒子或原子的量子化振动。德拜模型是物理学家彼得·德拜于 1912 年提出的理论,描述了声子对材料比热的贡献,并解释了为什么在低温下提高固体温度所需的热量急剧下降。

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所制备材料的结构表征。图片来源:《自然物理学》(2025)。 DOI:10.1038/s41567-025-03057-7
自然物理学

声子是固体材料中的声音粒子或原子的量子化振动。德拜模型是物理学家彼得·德拜于 1912 年提出的理论,描述了声子对材料比热的贡献,并解释了为什么在低温下提高固体温度所需的热量急剧下降。

德拜模型假设振动频率连续分布在固体材料中。然而,过去的研究发现,当声子的波长特别短时,就会出现一些异常现象。

振动频率

第一个报道的异常现象,即所谓的范霍夫奇点 (VHS),其特征是在晶体中观察到的振动态密度 (DOS) 的尖锐特征。第二个称为玻色子峰,它导致无定形固体或玻璃中的 DOS 显着过量。

中国科学院和西安交通大学的研究人员最近推出了一种新的统一模型,可以解释固体振动行为中的这两种异常现象。该框架发表在《自然物理学》上的一篇论文中,可以为有序和无序固体中的量子化振动的研究开辟新的可能性。

已发布

“德拜理论将低频声子视为连续介质中的弹性波,推导出低频振动态密度(VDOS)与频率的平方成正比,从而定量地解释了低温比热容的立方定律,”该论文的第一作者甘丁告诉Phys.org。

解释两个报告的振动异常

固体中声子的统一理论:(a) BP 和 VHS 的非德拜异常全景相图。 (b) 使用 143 种真实固体的低温比热数据进行验证。图片来源:丁等人。
数学模型 相图 声子 盖比·克拉克