近日，中国科学技术大学物理学院童华、徐宁教授团队在阻塞相变和非晶态物理研究中取得重要进展，揭示了表观结构显著不同的固体呈现出普适的阻塞临界性与自组织原理。相关成果以“Universal jamming criticality and self-organizing principles from disorder to the limit of perfect crystalline order”为题8月14日在线发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

“有序”与“无序”是凝聚态物理中的基本命题。晶体依靠周期性结构形成稳定的固态，其力学性质可以通过成熟的晶格理论和声子理论描述；玻璃、颗粒堆积和泡沫等非晶固体虽然同样具有刚性，微观结构却缺少周期性，且具有多样、无序和非平衡等特征，因而难以建立统一的理论描述。

阻塞相变是研究非晶固体刚性起源的一个重要理论范式。当颗粒体系被逐渐压缩时，粒子间的接触不断增加，体系最终由可以自由流动的状态转变为能够抵抗外力的固态。过去的阻塞研究大多以随机无序堆积为对象，并常常将阻塞相变与玻璃化转变联系起来。由此产生了一个长期存在的基本问题：阻塞临界性是否必须以高度无序的玻璃态结构为前提？当固体结构越来越接近完美晶体时，阻塞临界行为是否会在某个有限无序度处消失？

图1：从近晶体到无序固体的阻塞临界性。(a)二维弱无序近晶体与强无序固体在阻塞相变点处的典型构型和力学网络，z代表粒子配位数。在显著不同的表观结构背后有着普适的力学自组织规律。(b)粒径分散度（代表无序程度）和压强空间中的固体相图。即便分散度趋于零，随着压强降低，体系依次经历晶体、无序晶体区后，仍会进入阻塞临界区。

研究人员从二维六角晶体和三维面心立方晶体出发，通过连续调节粒径分散度，构建了从近乎完美晶体到完全无序固体的一系列全局均匀的固体体系，系统研究了不同结构的固体在接近阻塞相变时的力学行为。结果发现，近晶体系随压强降低依次经历晶体、无序晶体和阻塞临界三个区域。只要体系存在有限无序度，在足够低的压强下都会进入具有普适性标度律的临界阻塞区，转变压强在二维和三维中与分散度分别满足pj∼η2.5和pj∼η2.0关系。这表明晶体行为与阻塞临界行为之间不存在有限的无序阈值，阻塞转变点可以无限接近完美晶体的密堆积极限，粒子尺度层级的玻璃态结构并不是产生阻塞临界性的必要条件。这一发现挑战了领域内主流的、基于玻璃化转变来理解阻塞临界性的物理图像。进一步分析表明，控制这一转变的关键是粒子接触尺度上的无序所引发的随机非仿射响应，而不是粒子尺度的结构是否足够无序。

研究还发现，尽管近晶体与完全无序体系在粒子排列上存在显著差异，它们在趋近阻塞点时却会收敛到普适的配位数分布，并表现出一致的接触超均匀性，即大尺度上的配位数波动受到强烈抑制。相比之下，粒子密度的超均匀性并不是临界阻塞固体的普适性特征。这些结果说明，阻塞固体的基本属性根植于承载刚性的力学网络及其自组织原理之中，为统一理解从晶体到非晶固体的刚性起源提供了新的物理图像，也为发展有限物理维度下的阻塞临界理论提出了新的微观约束。

论文第一作者为中国科大物理系童华教授课题组博士后张建华，通讯作者为童华教授，司佳琪和徐宁教授为论文合作者。该研究得到国家自然科学基金和中国博士后科学基金的支持。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/lyqg-k6tk

（物理学院、科研部）