多重弛豫动力学是理解非晶态合金力学行为以及非晶态转变物理本质的重要因素。当液态合金快速冷却至非晶态转变温度附近时，结构弛豫（也称弛豫）时间呈现出超Arrhenius方式的快速增长，导致液态合金动力学迅速迟滞，这也被认为是非晶态转变的主要动力学机制。在弛豫发展的同时，液态合金中存在另一种短时的次级弛豫，Johari-Goldstein β弛豫。β弛豫现象一直保持到非晶态转变之后的固相，它在解释非晶合金形变中扮演着重要角色。然而，最近的研究表明非晶合金的次级弛豫较我们之前的认识要复杂得多。理论模拟和实验都发现在低温非晶区存在多尺度的β弛豫过程，它们不同的温度依赖行为暗示这些β弛豫过程可能具有不同的微观物理机制。现有模拟方法从微观原子尺度直接观测β弛豫过程还存在着一定的困难，主要原因是由于在强烈的弛豫背景下，β弛豫过程很难简单地借助时空关联函数来有效表征，导致对β弛豫机理的认识大多建立在理论假设的基础上。
日前，北京理工大学物理学院吕勇军课题组与中科院物理所汪卫华课题组合作在利用非晶合金薄膜研究多重弛豫动力学方面取得了重要的进展。通常，在一些金属和合金的自由表面附近会形成表面密度波，这种密度波动最终随着结晶的发生而消失。由于非晶合金表面具有较高的原子迁移率，使得表面看上去类似极粘稠的液体，这导致在很薄的非晶薄膜中表面密度波仍然可以在非晶态转变温度以下存在。他们研究发现在极薄CuZ薄膜中形成的密度波显著地加强了动力学不均匀性，形成了迁移率和内应力的波状分布，如图1所示。
图1 CuZr非晶薄膜中的密度、迁移率和应力分布
利用这种效应，他们借助简单的两点关联函数清晰地获取了β弛豫从过冷液态到非晶态的演化过程。发现β弛豫在非晶态转变温度附近发生了一次动力学转变，如图2所示。
图2 CuZr非晶薄膜中的β弛豫
通过采用单粒子动力学方法，他们揭示了转变前的β弛豫主要是随机的、热激活的单粒子跳跃运动，转变后的β弛豫主要是高度关联的协同跳跃，后者与应力不均匀性存在着内在联系，如图3所示。
图3 β弛豫的两种机制
进一步的研究发现β弛豫实际上有快、慢两个亚过程构成，两者具有类似的温度演化行为。这项研究成果借助薄膜中形成的特殊的密度波动实现了对β弛豫过程的显著强化，从而直接捕捉到β弛豫演化的微观图像，为深入认识非晶合金的弛豫现象提供了有利的依据。
这项研究成果近期发表在Physical Review Letters上。[Phys. Rev. Lett. 120, 155501 (2018)]
上述研究工作得到国家自然科学基金项目[51171027]资助。
撰稿人：吕勇军 北京理工大学物理学院
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