论文标题：Nature of the Order Parameters of Glass

论文链接：https://www.mdpi.com/2673-9321/5/1/9?n1=13&_utm_from=8ec3bde118

期刊名：Foundations

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在玻璃物理学中，序参量长久以来被用于玻璃态的热力学描述，但其本质尚不明确。核心难题在于如何在无序体系中探寻有序性。本研究从热力学中状态变量的定义基础出发，为玻璃和晶体的序参量本质提供了连贯性理解。状态变量被定义为：在达到平衡时，受约束条件下动力学变量的时间平均值；只要系统保持平衡，其测量值在任何时刻均保持一致。由此推论，固体的状态变量是构成该固体的所有原子位置的时间平均值，而序参量本质上与状态变量相同。因此，玻璃的序参量即为平衡态下的原子位置。

研究过程与结果

图1展示了玻璃在冷却或加热过程中，跨越玻璃化转变温度Tg时的比热容Cp变化。冷却与加热过程之间存在明显的滞后现象。当玻璃以恒定速率从液态A冷却时，可获得如图中实线a所示的Cp-T曲线。由于该曲线上的各状态均具有时间依赖性，因此它们均处于非平衡态。现在，若在温度T（灰色方块处）停止温度扫描，并迅速将样品与热浴隔离，玻璃将发生绝热弛豫，最终达到不再发生变化的稳定状态。在当前语境下，该静态状态（空心圆圈）被称为平衡态。此时，读者可能尚不确定该状态是否为真正的平衡态。本文将在2.1节中专门讨论平衡态的定义。通过在原始非平衡曲线a上的不同温度点重复上述弛豫过程，可得到一条连续的平衡曲线b（虚线）。

图1. 玻璃在玻璃化转变过程中的比热容Cp变化。转变区域定义为Cp发生快速变化的区间，玻璃化转变温度Tp大致取该区间的中点。实线表示实际的冷却或加热过程曲线，虚线表示通过非平衡态在绝热弛豫过程中获得的平衡态曲线。

研究总结

在热力学中，序参量、信息与状态变量这三个概念具有等价性。它们共同具备时间平均下的时不变性特征：一旦系统达到平衡态，无论何时进行测量，其测量值均保持恒定。基于这一时不变性属性，我们得出结论：玻璃的序参量（OPs）即为其构成原子在平衡态下的位置集合{Rj}。任何由该结构{Rj}所决定的玻璃性质均可视为序参量。晶体对称性会导致序参量出现冗余，从而减少独立序参量的数量；而玻璃的所有序参量则均为独立变量。传统观点常将有序性与周期性相关联，但DNA等高度有序材料的存在已充分反驳了这一观点。热力学中的“有序”实指时不变性，而非周期性结构。上述结论源于对平衡态的严格定义，该定义仅基于热力学第二定律，未假设有序态必然是最低能态（这一假设与实验事实不符）。同时，理论摒弃了"长时间等待即可获得有序态"这一未经证实的猜想——所有平衡态均仅在特定约束条件维持的时间尺度内有效。因此，序参量、状态变量及状态信息仅在该时间尺度内具有实际意义。理论证实，原则上通过结构参数描述这类特殊材料当前性质的研究路径是可行的。