Persistent Homology 揭示共价无定形固体中负责机械性能的层次结构

理解原子级结构如何支配无定形材料的机械性能，始终是固态物理学中的一个根本性挑战。在机械加载下，无定形材料表现出简单的仿射位移和局部空间非仿射位移，后者通过 Born（仿射）和非仿射项分别贡献于弹性模量。小 Born 项或大非仿射位移特征的软局部结构之间的差异尚未阐明。特别是在共价无定形材料如硅中，由于中程序（MRO）在网络结构中发挥关键作用，这一挑战尤为复杂。为解决这些问题，我们将分子动力学模拟与 persistent homology 分析相结合。我们的结果表明，Born 项较小的局部结构由短程特征支配，而 Born 项较大的局部结构则表现出层次结构，其中短程无序嵌入在 MRO 中。这些层次结构还与低能局部分散振动激发态紧密相关。我们的发现表明，共价无定形材料的机械响应和动力学特性本质上与 MRO 密切相关，为理解和设计其性质提供了新的框架。