中科大，最新Nature Materials：晶體之外，還有第三種有序態？“理想非晶體”首次被證實！

從晶體到準晶，人類對“有序”的理解一次次被刷新。但在傳統認知中，真正穩定的有序態往往意味著對稱性的打破——晶體擁有長程平移與旋轉對稱性，準晶則以非周期但具布拉格峰的結構挑戰經典晶體學。然而，在玻璃和非 晶材料領域，長期存在一個懸而未決的問題：是否存在一種既不打破平移或旋轉對稱性、卻依然高度有序的全新物態？

圍繞這一科學挑戰，中國科學技術大學童華教授、徐寧教授聯合東京大學Hajime Tanaka教授首次提出并實驗證實了一種全新的有序態——“理想非晶體”（ideal non-crystals），為理解玻璃轉變與非晶有序提供了全新框架。這項工作系統構建了理想非晶體的理論與數值實現路徑。研究團隊通過引入“位阻有序參數”Θ并結合粒徑優化策略，在多分散硬球模型中成功實現了一種不破壞對稱性卻具有最優位阻有序的新型結構。令人驚訝的是，這種結構不僅具有長程取向關聯，還表現出類似晶體的聲子振動、仿射彈性與接近超均勻性的密度漲落抑制特征。該成果拓展了有序物態的邊界，也為設計兼具各向同性與高穩定性的非晶材料提供了理論基礎。這項工作以“Ideal non-crystals as a distinct form of ordered states without symmetry breaking”為題發表在《Nature Materials》上， Xinyu Fan為共同第一作者。

從位阻有序出發，構建“理想非晶體”

圖1展示了理想非晶體的實現路徑與結構特征。研究團隊首先定義了一個結構無關的位阻有序參數Θ，用于量化局部三角單元偏離最優接觸構型的程度（圖1a）。簡單來說，Θ越小，局部堆積越接近“完美貼合”。隨后，如圖1b所示，體系先在高溫液態下充分平衡，再通過交換蒙特卡洛（SMC）緩慢降溫獲得高度有序的玻璃態結構。在此基礎上，研究人員進一步微調粒子尺寸，使每個局部三角單元達到Θ趨近于零的理想位阻狀態。值得注意的是，優化前后的粒徑分布幾乎重合（圖1c），說明體系并未發生相分離或晶化，而是在原有分布下逼近一種全新的極限結構。圖1d中，隨著溫度降低，瞬時態與本征態的Θ均逐漸下降，并在低溫下收斂至極小值。圖1e則直觀展示了不同母體溫度下結構的位阻有序分布：從高溫無序（紅藍雜亂）到低溫高度均勻，再到理想非晶體狀態（圖1e(iv)），體系在未出現任何布拉格峰的情況下，達到了近乎完美的堆積有序。這一結果首次表明：最優位阻有序可以在不產生晶體對稱性的前提下實現。

圖1：位阻有序參數Θ的定義與理想非晶體的實現流程，包括粒徑優化與低溫演化過程。

路徑積分式關聯函數揭示隱藏的長程取向有序

既然理想非晶體沒有明顯的平移或旋轉對稱性破缺，那么其“有序性”如何表征？圖2給出了關鍵答案。研究人員基于Voronoi–Delaunay三角剖分，構建出沿三角單元延展的“相干路徑”（圖2a），并設計了一種類似路徑積分的關聯函數C(r)（圖2b）。該方法不依賴全局參考軸，而是沿相干路徑逐步累積三角單元的取向偏差。圖2c顯示，在加熱過程中，理想非晶體的勢能突變類似晶體熔化，表現出“超穩定”特征。更重要的是，圖2d表明，在理想非晶體狀態下C(r)呈現長程關聯，而在液態中則快速指數衰減。在接近熔化前，關聯函數呈現近似r??·2?的冪律行為，類似二維六角相向液體轉變的KTHNY理論結果。這一發現意味著：理想非晶體雖然沒有顯式對稱性，卻擁有隱藏的長程取向相關結構，是一種真正意義上的“有序態”。

圖2：基于相干路徑的路徑積分式關聯函數C(r)，揭示理想非晶體的長程取向關聯。

振動模式從“玻璃特征”走向“晶體聲子”

振動譜是區分晶體與非晶的重要標志。傳統非晶材料在低頻區域普遍呈現D(ω)~ω?行為，并伴隨玻色峰。然而圖3顯示，隨著Θ降低，體系的振動態密度從典型玻璃的ω?標度逐漸過渡到Debye標度D(ω)~ω^(d?1)（二維下為ω1）。在理想非晶體狀態下（圖3a,c），低頻振動幾乎完全遵循Debye行為，且玻色峰消失。圖3d的實空間振動模式進一步顯示，低頻模式呈現清晰的平面波特征，與晶體聲子極為相似。這意味著：理想非晶體支持真正的聲子模式，而非準局域玻璃模態。即便通過慢冷獲得的近似結構（Θ≈5×10?3）也已呈現類似特征，說明這一性質具有穩健性。

圖3：振動態密度從玻璃ω?標度過渡到Debye標度，理想非晶體支持聲子模式。

仿射彈性與超均勻趨勢——機械與統計性質的重構

圖4進一步揭示理想非晶體在力學與密度漲落方面的特性。圖4a顯示，隨著Θ降低，非仿射響應幾乎消失，彈性行為趨于完全仿射，與晶體一致。圖4b中，接近理想非晶體時，過配位數與壓力呈現z?ziso~p?·??標度，而非玻璃的p?·?標度，這與弱多分散晶體行為相似。在統計性質方面，圖4c顯示譜密度χV(k)在低k區域呈現近似k3標度，指向I類超均勻行為。圖4d則揭示低k極限處的平臺值與Θ呈χV(k→0)~Θ1·?冪律關系。隨著Θ趨近零，體系有望逼近理想超均勻極限。換言之，理想非晶體在振動、彈性與密度漲落三個核心物理維度上，均表現出接近晶體卻不具晶體對稱性的特征。

圖4：彈性行為趨于仿射、配位數標度改變，以及譜密度χV(k)顯示超均勻趨勢。

結語與展望

這項研究首次確立了“理想非晶體”這一全新有序物態：在不打破平移或旋轉對稱性的前提下，通過最優位阻有序實現長程結構關聯與晶體式物理性質。其發現不僅拓展了有序態的理論邊界，也為玻璃轉變提供了可能的真實序參量——位阻有序參數Θ。更重要的是，理想非晶體兼具各向同性與晶體般穩定性，為未來設計高強度、低熱導、無各向異性的新型非晶材料提供了全新思路。該成果標志著我們對“有序”這一概念的理解再次向前邁出關鍵一步 。