近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授徐寧課題組在二維固體熔化研究中取得新進(jìn)展，他們發(fā)現(xiàn)密度是影響二維軟芯膠體體系六角相-液體相變本質(zhì)的重要因素，該研究成果在線發(fā)表于8月15日的《物理評(píng)論快報(bào)》[Phys. Rev. Lett. 117, 085702(2016)]。論文第一作者是課題組的博士研究生祖夢(mèng)婕。
在二維體系中，橫向漲落隨著系統(tǒng)增大而對(duì)數(shù)增長(zhǎng)，從而導(dǎo)致二維晶體結(jié)構(gòu)的破壞，因此，二維體系在熱力學(xué)極限下不存在嚴(yán)格意義上的晶體，二維固體的熔化也會(huì)相應(yīng)地呈現(xiàn)出與三維固體的差異。上世紀(jì)70年代，Kosterliz、Thouless、Halperin、Nelson和Young發(fā)展了KTHNY理論來(lái)描述二維固體的熔化。根據(jù)該理論，二維固體在熔化過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)中間態(tài)：六角相（hexatic phase），二維固體熔化是個(gè)兩步過(guò)程，固體到六角相和六角相到液體的相變都是連續(xù)相變，分別對(duì)應(yīng)著位錯(cuò)對(duì)和旋錯(cuò)對(duì)的分解。隨后的大量實(shí)驗(yàn)和模擬工作都證實(shí)了六角相的存在和二維固體的兩步熔化。但是，近期的一些研究表明，六角相到液體的相變并不完全像KTHNY理論預(yù)言的那樣是連續(xù)相變。例如，剛性粒子呈現(xiàn)的是一級(jí)相變，隨著粒子變軟，會(huì)出現(xiàn)由一級(jí)相變到連續(xù)相變的轉(zhuǎn)變。二維固體的熔化由于其復(fù)雜性，一直是軟凝聚態(tài)物理領(lǐng)域研究的一項(xiàng)熱門(mén)內(nèi)容。
徐寧課題組長(zhǎng)期關(guān)注軟芯膠體體系的相變與自組裝。軟芯膠體顆粒形成的固體具有一個(gè)最大的熔化溫度，從而導(dǎo)致可重入熔化（reentrant melting），即在溫度恒定（低于最大熔化溫度）增大密度的過(guò)程中，液體會(huì)凝結(jié)成固體并且在更高的密度處再次熔化成液體。該課題組發(fā)現(xiàn)，二維軟芯膠體固體的熔化由于存在可重入熔化特性而表現(xiàn)出非常有趣的行為。最大熔化溫度所對(duì)應(yīng)的臨界密度是一個(gè)分水嶺，低于臨界密度時(shí)，六角相-液體相變呈現(xiàn)出一級(jí)相變特性，六角相和液相會(huì)共存，該共存區(qū)隨著靠近臨界密度而縮小，并在臨界密度處消失；高于臨界密度時(shí)，六角相-液體相變始終是連續(xù)的。因此，最大熔化溫度是六角相-液體相變由不連續(xù)到連續(xù)的轉(zhuǎn)變點(diǎn)。非連續(xù)六角相-液體相變的起因目前還沒(méi)有理論解釋?zhuān)摴ぷ鞅砻�，密度是影響二維軟芯膠體體系六角相-液體相變本質(zhì)的重要因素，非連續(xù)相變的出現(xiàn)并不依賴(lài)于系統(tǒng)，而可能依賴(lài)于距離剛性粒子極限的遠(yuǎn)近。
該研究工作豐富了人們對(duì)二維固體熔化的認(rèn)識(shí)，為進(jìn)一步探討二維固體熔化機(jī)理提供了新的素材。審稿人認(rèn)為該工作“令人驚訝，是該領(lǐng)域的重要進(jìn)展”。
上述研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部和教育部的支持。
二維軟芯膠體體系熔化的溫度-密度相示意圖及不同狀態(tài)的圖示
