声子异常的统一理论：从晶体范霍夫奇点到玻璃体玻色峰的普适起源

《Science China-Physics Mechanics & Astronomy》：A unified picture of phonon anomalies in crystals and glasses

本文针对固体材料中声子振动谱长期存在的分离研究困境（晶体van Hove奇异性与玻璃体boson peak的起源争议），推荐Ding等人在《Nature Physics》提出的共振阻尼模型。该研究通过推导频率/波矢依赖的阻尼函数，首次在连续介质框架下统一解释晶体与玻璃的声子异常，成功拟合143种材料的比热数据，证实玻色峰是声子传播与阻尼竞争的普适现象，推动凝聚态物理走向微观结构-振动性质关联的统一理论。

　　

固体中的原子无时无刻不在振动，这些振动的量子化单元——声子（phonon），通常遵循德拜定律（Debye law）：振动密度态（vibrational density of states, VDOS）随频率平方增长。然而现实材料总是偏离这一理想图景：晶体中会出现尖锐的范霍夫奇点（van Hove singularities, VHS），而玻璃体则展现出平滑却令人费解的玻色峰（boson peak, BP）。数十年间，这两类声子异常被孤立研究，一个核心问题悬而未决：它们是否共享统一的物理起源？

2025年发表于《Nature Physics》的一项研究由Ding等人提出突破性答案。他们构建的共振阻尼模型首次在连续介质框架下统一描述了晶体与玻璃中的声子异常，不仅成功复现了二氧化硅玻璃的玻色峰和高熵合金的范霍夫奇点特征，还精准拟合了143种真实材料的比热数据。该工作的核心创新在于将声子阻尼与声子软化耦合：阻尼增强会降低有效声子频率，从而放大对德拜标度的偏离。这一机制超越了传统非晶态弹性理论对弹性模量随机分布的假设，揭示了玻色峰的本质是声子传播与阻尼的普适竞争，而非无序结构独有的现象。

关键技术方法

研究基于共振散射机制推导出频率与波矢依赖的阻尼函数，结合声子软化效应构建连续介质模型。通过分析二氧化硅玻璃的声子衰减数据（显示四次方标度的瑞利散射特征）和高熵合金的振动密度态，验证模型普适性。所有计算均与实验比热数据交叉验证，样本涵盖晶体、玻璃及复杂化合物等143种材料。

研究结果

阻尼函数的统一描述

模型推导的阻尼函数在低波矢区呈现瑞利散射特征的Γ∝q⁴行为，在高波矢区过渡为共振散射主导的阻尼增强，同时伴随声子频率软化。这一规律在晶体和玻璃中均成立，解释了为何某些材料仅出现范霍夫奇点，而另一些则显现玻色峰或两者共存。

振动密度态的普适异常

通过阻尼函数计算得到的振动密度态，在二氧化硅玻璃中成功复现玻色峰（图中蓝色曲线），在FeCoCrNi高熵合金中则呈现类范霍夫奇点特征（绿色曲线），均显著偏离德拜模型预测。这表明玻色峰与范霍夫奇点本质是同一物理过程在不同阻尼强度下的表现。

实验验证与拓展

Wang等人通过二氧化硅玻璃实验观测到声速的负色散现象，直接证实阻尼诱导的声子软化。应变玻璃体系与钙钛矿、金属间化合物等复杂晶体中报告的类玻色峰异常，均与Baggioli-Zaccone理论预言的非谐阻尼机制一致，进一步支持统一框架的合理性。

结论与意义

Ding等人的共振阻尼模型建立了声子异常的统一图像：范霍夫奇点与玻色峰是声子传播与阻尼竞争的不同表现形式，其差异仅由阻尼强度决定。该理论摒弃了针对无序体系的特设假设，将晶体与玻璃的声子物理纳入同一框架，为理解材料热力学性质（如比热、热导率）提供了新范式。未来需将模型参数与微观缺陷、团簇结构直接关联，并通过非弹性散射实验直接测量阻尼函数。这一进展标志着凝聚态物理在解决声子异常这一长期难题上迈出关键一步。