我院童华教授、徐宁教授及其合作者发现新型有序物态—理想非晶体 [2026-02-16]

在凝聚态物理领域，“有序”与“无序”是贯穿始终的核心命题。在传统认知中，有序往往意味着对称破缺。最典型的例子就是晶体，其原子的周期性排布打破了空间平移和旋转对称性；对立面则是排列混乱、随机的玻璃态物质。即便是在1982年发现的准晶，虽在一时间引起诸多争议并最终导致晶体学的改写，也未曾脱离对称性破缺的范式。沿着从晶体到准晶的探索方向，是否存在一种不打破平移或旋转对称性、却高度有序的全新物态？沿着相反的方向探索玻璃和玻璃化转变过程中可能隐藏的结构序，我们同样会触达这一基本问题。

• “空间位阻”造就的有序奥秘

虽然大量的实验事实都告诉我们，“有序”意味着原子像地板上的瓷砖一样排列——即通过打破平移和旋转对称性形成的重复图案，热力学基本原理却隐含着其他可能——一种完全抛弃重复性，又受到完美堆积序保护的特殊有序状态。理想非晶体正是这一隐藏可能性的体现，其通过最优空间位阻堆积（optimal steric packing）实现有序——这是一种每个粒子都以可能的最高效率排列以减少“浪费”空间的最优状态 。

左图为二维理想非晶体的位型图，插图为对应的静态结构因子；中图为理想非晶中隐藏的相干路径；右图展示了基于相干路径定义的类似路径积分的空间关联表征方法。

研究团队首先定义了一个不依赖于特定对称性的位阻有序参数，并在前期工作中证明了其热力学意义。以此为指引，研究团队在二维多分散粒子体系中结合热力学演化和优化算法方法，成功制备出满足吉布斯纯相定义的理想非晶体。由于缺少已知的对称性破缺，传统方法无法揭示理想非晶态的有序性。针对该问题，团队突破对称性框架创新性提出相干路径（coherent path）的概念，由此定义了类似路径积分的关联函数，成功量化了这种特殊的长程取向关联，证明理想非晶体为真正意义上的有序态。这也为表征非晶体系的结构序提供了新方法。在此视角下，晶体序恰好是这种更一般的结构序的一个特例。

• 晶体般的性能，玻璃般的灵活

1.研究对理想非晶体的物性进行了基本表征。结果表明，其尽管看起来像随机排列的液体，但物理性能却如同晶体，具有一系列此前被认为非晶结构不可能具备的“类晶体”特性：

2.热力学稳定性：理想非晶体的熔化过程呈现势能突变的类一级相变特征，表现出“超稳定性”；

3.声子振动谱：理想非晶体的低频振动几乎是完美的德拜型声子模式，无非晶体系典型的低频准局域模式和玻色峰；

4.机械强度：其弹性响应是完全仿射的，使其机械行为像传统金属一样可预测 ；

5.高度均匀性：它们表现出超均匀性（hyperuniformity），这是一种能抑制大尺度密度波动的特殊状态，保证其极为出色的材料一致性 。

这项工作兼具有重要的学术价值与应用前景。在基础研究层面，理想非晶体拓展了物质有序态的范畴，通过弥合混沌与几何之间的鸿沟，这种新物态证明了有序并不总是需要对称破缺——有时，它只需要追求效率的完美；在应用层面，其为设计既像玻璃一样各向同性、但在物理性质上却趋于完美的新型非晶材料提供了全新思路。

论文第一作者为中国科大物理系博士后范新宇，通讯作者为中国科大物理系童华教授、徐宁教授，以及日本东京大学Hajime Tanaka教授，合作者包括中国科大物理系博士后胥鼎、张建华，安徽大学胡皓教授与复旦大学谭鹏教授。该研究受到了中国国家自然科学基金的资助。

 论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-026-02496-8

（物理学院、科研部）