压强下硅玻璃的纳米尺度以上的对称性转变

硅玻璃是典型的网络玻璃形成剂，理解其对压力的响应对于把握硅基材料的力学性质以及地球内部硅酸盐熔体的行为至关重要。虽然压力引起的短程结构变化——特别是四面体对称性的破坏——已为人所熟知，但关于更大尺度上结构转变的研究仍较不了解。本文通过数值方法考察了在压强可达 $P \approx 100$~GPa 时硅玻璃的三维结构。我们引入一种新型多体关联函数，揭示了复杂的中程有序结构：当 $P \lesssim 10$~GPa 时，发现四面体、八面体和立方对称性；而在更高压强下，结构表现为交替出现的立方和八面体粒子排列。相应结构相关长度的 $P$ 依赖性显示出两个显著的局部最大值，这有助于阐明硅玻璃的异常可压缩性。我们认识到，受压力和尺度依赖性影响，方向性键合、 packing efficiency 与网络刚性之间的相互作用导致了该物质在中程尺度上的复杂结构组织。由于这类竞争效应在网络玻璃形成剂中普遍存在，所发现的三维中程有序结构——以及因此而产生的玻璃物理性质——预计为此类材料在极端条件下的通用特征。