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近日，北京理工大學物理學院李艷偉研究員、姚裕貴教授同新加坡南洋理工大學數學物理學院Massimo Pica Ciamarra教授合作，在二維熔化研究中取得重要進展，相關結果發表在物理學頂尖期刊Physical Review Letters上。

三維體系中，晶體-液體轉變通常是一級相變且不存在中間相態，而二維晶體到液體的轉變更為復雜有趣。根據KTHNY理論，二維體系中，介于晶體與液體之間可能存在中間六角相；近期研究表明，雖然晶體到六角相的轉變為連續相變，但是六角相到液體的轉變既可能是連續相變，也可能是一級相變。熔化過程中還伴隨體系缺陷的演化，如晶體中的位錯(dislocation)往往是成對出現的；六角相中則出現成對的位錯解離為孤立的位錯；液體中孤立的位錯可進一步解離為向錯(disclination)。到目前，共發現三種不同的二維熔化機理，即不存在中間相的晶體-液體一級相變機理；KTHNY理論預測的兩個接連發生的晶體-六角相及六角相-液體連續相變機理；晶體-六角相連續相變、六角相-液體一級相變的混合機理。許多因素可影響二維熔化機理，如粒子形狀。研究發現具有硬相互作用的單組分正六邊形體系遵循連續相變機理，圓形體系遵循混合機理，而正五邊形體系遵循一級相變機理。

以往的研究往往集中在單組分體系，而多組分體系的熔化行為更加復雜，如依賴于多組分的配比，熔化機理如何選擇與過渡到單組分的情況？混合兩種組分粒子，有沒有可能遵循不同于單組分的熔化機理？能否獲得低于單組分熔化溫度或者在硬粒子體系中高于單組分熔化密度的低共熔混合物？拓撲缺陷是否像單組分體系那樣與相行為密切關聯？

圖1. 圓形-正五邊形二組分混合體系中固相(左)，六角相(中)，固-液共存相(右)中的缺陷(紅色和藍色)分布。紅色、綠色、藍色分別代表粒子有5、6、7個近鄰。

圍繞以上科學問題，團隊設計了同一尺寸的圓形，正六邊形，正五邊形的二組分及三組分混合體系，基于分子動力學模擬研究了不同配比下體系的相行為及缺陷演化。由于尺寸的均一性，不同形狀粒子的混合是均勻的(圖1)，沒有出現相分離或玻璃化轉變的過程。

圖2. 不同二組分體系的(a)熔化相圖及(b)缺陷密度隨配比的依賴規律

在二組分體系中(圖2上欄 )，混合圓形及正六邊形粒子及混合正五邊形和正六邊形粒子，體系的熔化機理均從一個單組分遵循的機理過渡到另一個單組分遵循的機理；而混合正五邊形及圓形粒子，我們發現混合體系可遵循不同于兩個單組分機理的KTHNY連續相變機理，且此混合體系為低共熔混合物體系。我們進一步研究了體系拓撲缺陷(粒子的近鄰數非6個)的演化，發現在當缺陷濃度大于0.046及大于0.123時(圖2下欄 )，固相與六角相分別失穩，這提供了通過缺陷濃度判定相態的準則。我們進而建立了三元融化相圖，發現KTHNY相變機理總是介于一級相變機理及混合機理之間。本工作為理解二維熔化機理提供了有益啟示。

圖3. 三組分體系的熔化相圖

相關工作發表在Physical Review Letters上，北京理工大學物理學院李艷偉研究員為第一作者兼通訊作者，北京理工大學物理學院姚裕貴教授和新加坡南洋理工大學Massimo Pica Ciamarra為論文共同通訊作者。該工作第一單位為北京理工大學物理學院，并得到國家自然科學基金、北京理工大學青年學者學術啟動計劃等項目的支持。