非晶合金，又稱金屬玻璃，是由金屬鍵主導的原子玻璃體系，它具有類似於硬球堆積的微觀結構，為探索非晶態材料的基本物理問題提供了有代表性的模型；非晶合金無序結構所帶來的優異力學、物理和化學性能，使其在很多高新技術領域有廣闊的應用前景。與其他玻璃的形成一樣，非晶合金是通過快速冷卻高溫合金熔體，抑制結晶並在一定溫度時發生玻璃轉變 (Glass Transition) 而形成的。玻璃轉變是與非晶合金的形成、微觀結構與宏觀物性等密切相關的物理過程，但其本質並不能通過傳統的熱力學相變理論描述，是當前凝聚態物理和材料科學所面臨的巨大挑戰之一。傳統意義上的熱力學相變一般都會對應結構序參量的明顯變化，但合金熔體在快速冷卻過程中其動力學急劇慢化（粘度和結構弛豫時間在幾十度的溫區內增加十幾個量級），但通過各種衍射方法測得的微觀結構特徵變化卻微乎其微。如何理解過冷液體動力學慢化及玻璃轉變的微觀結構起源，是非晶合金領域當前亟需解決的核心問題之一。近十多年來，發現隨溫度降低，其動力學行為變慢的同時也伴隨著特殊局域幾何結構特徵（短程序）的演化，有人進而嘗試建立合金熔體中短程幾何結構序與慢動力學之間的關聯，將其解釋為慢化動力學的結構起源。
最近, 中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心極端條件物理重點實驗室汪衛華研究組博士生胡遠超和北京計算科學研究中心研究員管鵬飛，香港城市大學教授楊勇及新加坡南洋理工大學博士後李豔偉合作，對此提出異議，發現受限狀態下的非晶合金過冷液體中慢動力學與短程幾何結構序（特徵原子團簇）之間沒有關聯；構建了慢動力學與原子構型本徵關聯之間的耦合關係，並發現由該本徵關聯定義的靜態關聯長度無論是在受限還是在非受限體系中，可對慢動力學作普適描述，揭示了該靜態關聯長度在玻璃轉變中的主導作用。
通過對受限和非受限非晶合金過冷液體的計算模擬研究發現，在受限過冷液體中，其結構弛豫隨著受限程度的增加而變慢，進而實現動態玻璃轉變，但其幾何結構短程序的特徵（如二十面體等團簇的含量）卻基本保持不變（圖1）。該結果揭示了在受限體系中，慢動力學和幾何結構短程序之間並未表現出其在非受限體系中所呈現的關聯性，表明幾何結構短程序（如二十面體團簇等）並不能作為非晶合金體系中玻璃轉變的微觀結構起源。這一結論也引伸出關係到玻璃轉變結構起源的核心問題：能否找到與微觀結構相關的靜態參量來統一地描述受限和非受限非晶合金過冷液體中的慢動力學？
他們基於受限體系在結構弛豫過程中表現出的構型關聯，研究了不同條件下構型之間相似度隨時間的演化，發現了本徵構型相似度與結構弛豫時間之間的耦合關係（圖2）；由該本徵相似度出發，他們定義了靜態關聯長度：反映過冷液體中的無序亞穩狀態（amorphous metastable states）的平均關聯長度。研究發現該靜態關聯長度是控制受限體系中慢動力學的關鍵因素（圖2）。根據有限尺度標度分析（finite-size scaling analysis），進一步發現該靜態關聯長度也控制著非受限非晶合金過冷液體的慢動力學（圖3），說明定義的靜態關聯長度可以同時描述受限和非受限非晶合金過冷液體中的慢動力學，表明控制非晶合金過冷液體慢動力學乃至玻璃轉變的關鍵結構因素並不是幾何結構短程序，而是反映構型間空間關聯的靜態關聯長度。此外，基於動力學非均勻性定義的關聯長度與靜態關聯長度之間的差異表明過冷液體中的動力學非均勻性可能並不是其慢動力學的根源，而是伴隨動力學變化的本質特徵（圖3）。該靜態關聯長度的相關性質可以從無序一級相變理論（random first-order transition theory）出發得到很好的解釋，表明非晶合金玻璃轉變也具有一定的熱力學基礎，並非是一個純粹的動力學過程。該研究結果為更全面、深入地認識非晶合金的幾何結構序、瞭解玻璃轉變的本質，以及建立玻璃轉變的統一理論提供了全新的視角，對推動非晶合金的實驗研究及產業發展具有一定的指導意義。該靜態關聯長度的提出為理解非晶合金玻璃轉變結構相關的起源提供了一縷曙光，但是否存在控制慢動力學乃至玻璃轉變的純幾何結構序參量仍然是值得深入研究的重要科學問題。目前在膠體和高分子體系中，人們已經可以通過實驗手段來測量相應構型空間關聯，而對金屬玻璃體系，很難直接觀測原子尺度上的動力學行為，因而新的實驗表徵技術和方法的開發是當前非晶合金研究的一個重要方向。
成果以Configuration correlation governs slow dynamics of supercooled metallic liquids為題發表在2018年《美國國家科學院院刊》（PNAS）上。該研究工作得到了國家自然科學基金委、科技委、中科院及北京計算科學研究中心的資助。
圖1 受限狀態下過冷液體慢動力學特徵與局域幾何結構無關。
圖2 受限狀態下金屬玻璃過冷液體的慢動力學由構型關聯得到的靜態關聯長度控制。
圖3 非受限狀態下金屬玻璃過冷液體的慢動力學與靜態關聯長度之間的有限尺度標度關係。
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