声子失稳决定了晶体材料的理想强度，并与理想晶体中均匀形核的晶体缺陷或相变产物的特征紧密联系，如何对理想晶体在复杂应力状态下的缺陷形核或相变进行准确预测成为近年来关注的热点。另一方面，声子是原子集体振动模式的量子化描述，具有非局域化特性，而晶体缺陷如位错、孪晶和裂纹则是局域性的，非局域性的短波声子失稳诱发局域性的晶体缺陷形核的动力学机制目前尚不清楚。
    近期《自然•亚洲材料》（NPG Asia Materials）杂志在线刊登了材料学院材料改性与数值模拟研究所刘晓晖博士、顾剑锋教授（通讯作者）和相变与结构研究所沈耀教授、美国麻省理工学院李巨教授（通讯作者）针对上述问题合作完成的研究成果。

    研究人员发展了一种能够在非均匀变形晶格和整个布里渊区中搜索软声子的高效算法，并结合基于原子间相互作用势的有限元模型，同时采用分子动力学方法，对单晶铝在纳米压入下的晶体缺陷均匀形核开展了多尺度模拟。研究表明，该算法能够快速准确地预测缺陷均匀形核位置和晶格失稳模式，从而有助于理解理想晶体在极端应力条件下晶体缺陷的均匀形核机制。研究结果发现，短波声子失稳后，其格波波幅在初始阶段的增长符合简谐近似理论，同时导致晶格对称性破缺，但随后被势能的非谐项所抑制，进而在简谐项和非谐项的共同作用下被双势肼捕获，形成了具有低对称性的新的晶体结构。由于失稳声子的波长很短，产生的相变应变较小，不能显著卸载局部应力，结果使得新相仍承受很大应力载荷。与朗道理论描述的温度变化导致的软模诱发相变不同，这种在应力作用下的新相会在极短时间内进一步发生长波声子失稳（弹性失稳），从而诱发新的局域性的晶体缺陷形核，并显著降低局部应力。
    研究结果表明，上述短波和长波声子串联失稳诱发晶体“变异”的机制具有相当的普适性，能够描述多种理想晶体在极端应力状态下的晶体缺陷（如位错、孪晶）的均匀形核过程。例如，其很好地解释了在单晶铝的纳米压入模拟中发现的一种新的形变孪晶均匀形核机理（与传统孪晶形核机理不同，新发现的孪晶是通过原子沿两个不同方向交错滑移实现形核的，其产生的剪应变只有普通孪晶的一半）。研究人员还采用标度理论比较了弹性波（长波）和短波失稳声子演化过程的异同。虽然弹性波失稳也能形成双势肼，但因势肼宽度较大，难以在弹性波波形扭曲趋陡之前将其捕获，因而不易发生上述串联失稳行为。
    该工作揭示了非局域性的声子和被非线性势能面所捕获的局域性的晶体缺陷之间的深刻联系，丰富了非线性晶格动力学理论的内容。发展的软声子搜索算法有望与其它多尺度模拟方法或第一性原理计算方法相结合，应用于材料的理想强度或复杂应力状态下晶体失稳行为的研究。
    该研究得到国家自然科学基金委项目的资助。