Ursprung des Bosonenpeaks in amorphen Festkörpern

Wissenschaftler des Institute of Industrial Science an der Universität Tokio verwendeten Molekulardynamik-Simulationen, um die ungewöhnlichen Eigenschaften von amorphen Festkörpern wie Glas besser zu verstehen. Sie fanden heraus, dass bestimmte dynamische Defekte dabei helfen, die zulässigen Schwingungsmoden im Inneren des Materials zu erklären. Diese Arbeit kann dazu führen, die Eigenschaften von amorphen Materialien zu kontrollieren.

Manchmal wird teures Glas als „Kristall“ beworben, aber für Materialwissenschaftler könnte dies nicht weiter von der Wahrheit entfernt sein. Kristalle werden von Atomen gebildet, die in geordneten, sich wiederholenden Mustern angeordnet sind, während Glas ein ungeordneter, amorpher Festkörper ist. Wissenschaftler wissen, dass viele ungeordnete Materialien bei niedrigen Temperaturen Eigenschaften haben, die einander sehr ähnlich sind, einschließlich spezifischer Wärme und Wärmeleitfähigkeit. Außerdem unterscheiden sich diese Eigenschaften deutlich von denen von Materialien aus geordneten Kristallen. Darüber hinaus haben glasartige Materialien in einem bestimmten Frequenzbereich eine größere Anzahl verfügbarer Schwingungsmoden als Kristalle, die in der Fachwelt als „Boson-Peak“ bekannt sind. Während verschiedene Theorien vorgeschlagen wurden, blieben die zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen für diese Beobachtungen eine Frage aktiver Forschung.

Nun haben Wissenschaftler der Universität Tokio ausgeklügelte Molekulardynamik-Computersimulationen verwendet, um die transversalen und longitudinalen dynamischen Strukturfaktoren von Modellgläsern über einen breiten Frequenzbereich numerisch zu berechnen. Sie fanden heraus, dass fadenartige Vibrationsbewegungen, bei denen sich gekrümmte Linien von Partikeln, die in einer „C“-Form im Inneren des Materials gepackt sind, zusammen bewegen können, wichtige Treiber der anomalen Effekte sind. „Diese dynamischen Defekte liefern eine allgemeine Erklärung für den Ursprung der grundlegendsten dynamischen Moden glasartiger Systeme“, sagt der Erstautor Yuan-Chao Hu. Zusätzlich zu dem Bosonenpeak können diese fadenartigen dynamischen Defekte die Arten von schneller und langsamer Relaxation hervorrufen, die in den Partikeln beobachtet werden, aus denen das Glas besteht.

Diese Forschung hat viele wichtige Implikationen sowohl für die Grundlagenforschung als auch für industrielle Anwendungen, da der Bosonenpeak in vielen Systemen zu finden ist, nicht nur in Gläsern. „Wir zeigen, dass der Bosonen-Peak von quasi-lokalisierten Schwingungen fadenartiger dynamischer Defekte herrührt“, sagt Senior-Autor Hajime Tanaka. In der Lage zu sein, dieses Merkmal zu erklären, wird Licht auf viele andere Arten von ungeordneten Materialien werfen. Davon werden auch die vielen Nutzer von Smart Devices profitieren, denn fast alle Smartphones, Tablets und Touchscreen-Laptops setzen auf Glasmaterialien, die die Ergebnisse dieser Studie verbessern könnten.

Die Arbeit ist veröffentlicht in Naturphysik.