声子是凝聚态物理和材料科学的核心概念之一，它描述了材料中原子的集体振动，决定了材料的基本物理性质。在传统认知框架中，晶体、玻璃与液体具有泾渭分明的原子动力学边界：完美晶体依托长程周期性晶格展现出清晰的声子准粒子特征；而玻璃态和液态则因无序度增加，表现出声子强烈阻尼甚至横波抑制的特征。近日，磁性与热功能材料研究部的科研人员依托大科学装置在超离子导体 AgCrSe₂单晶中首次直接观测到类液态、类玻璃态与晶体态声子行为在单一固体中共存的现象，相关研究成果发表于J. Am. Chem. Soc.（https://doi.org/10.1021/jacs.6c17837）。

AgCrSe₂是一种典型的层状超离子导体，具有准二维晶体结构，超离子转变温度约为475 K。在该化合物的晶体结构中，刚性的 [CrSe₆]八面体共边连接构成稳定的周期性晶格骨架，而 Ag⁺离子则占据层间两个等效位置。在475 K以下，Ag⁺ 离子优先占据其中一个位置；而进入超离子态后，[CrSe₆]骨架依然维持良好的长程有序，但层间的 Ag⁺ 离子则在两个等价位置间随机跳跃，形成了“刚性晶格框架”与“类流体无序亚晶格”相互嵌套的奇特结构。有序态的空间群为R3m，超离子态的空间群为，该相变过程可由二维伊辛模型描述。

    研究人员综合运用高分辨非弹性中子散射技术、第一性原理计算和分子动力学模拟等手段，获得了AgCrSe₂单晶完整的声子色散关系，发现横波声子表现出显著的方向依赖性。对于沿面内传播且原子面内振动的横波声子，色散关系存在嵌套行为而增强了声子散射，并与Ag⁺ 离子的动力学无序共同抑制了其准粒子特征，呈现类似液体的声子行为。对于沿面外传播且原子面内振动的横波声子，Ag⁺ 离子的动力学无序散射出现选择性，声子随波矢增大而逐渐失去准粒子特征，表现出类似玻璃的声子行为。而对于沿面内传播且原子面外振动的横波声子，即使在超离子态中仍保持良好的传播特征，呈现常规晶体的声子行为。单晶热导率测量表明，该材料具有超低热导率和显著的热输运各向异性，这与微观声子动力学特征相吻合。

该研究打破了基本物态在晶格动力学层面的界限，为建立跨越晶体、玻璃和液体的统一热输运理论提供了新的实验依据，也为调控固体各向异性声子输运提供了新思路。

    论文的第一作者分别为金属所博士生冯远文和大湾区大学谢琳副教授，通讯作者分别为金属所李昺研究员和南方科技大学何佳清教授，参与该工作的还有大连理工大学唐大伟教授团队。该工作得到了国家自然科学基金、中国科学院“从0到1”项目、中国博士后科学基金、辽宁省自然科学基金、广东省先进热电材料与器件物理重点实验室项目、深圳市优秀人才培养基金以及广东省项目的资助。该工作还得到了日本J-PARC和澳大利亚ANSTO中子机时的支持。

图1. AgCrSe₂的晶体结构及晶体、玻璃和液体中横波声子的典型特征示意图。

图2. 类液态横波声子的非弹性中子散射实验结果及分子动力学模拟。