摘要：晶体内原子的振动行为可以描述为一系列格波，这些格波的能量可以被量子化为声子。在低频区域，晶体的格波行为可近似视为连续介质的弹性波，遵循经典的德拜模型。然而，对于非晶态物质（即结构玻璃），其低频振动总是偏离德拜模型，并出现态密度过剩的现象。这种反常特征被称为玻色

晶体内原子的振动行为可以描述为一系列格波，这些格波的能量可以被量子化为声子。在低频区域，晶体的格波行为可近似视为连续介质的弹性波，遵循经典的德拜模型。然而，对于非晶态物质（即结构玻璃），其低频振动总是偏离德拜模型，并出现态密度过剩的现象。这种反常特征被称为玻色子峰（Boson peak），通常被视为非晶材料的标志性特征之一。除了结构玻璃外，当某种序参量（如磁矩或晶格应变）呈现无序状态时，晶体中同样会出现玻色子峰。例如，自旋玻璃中的磁玻色子峰以及应变玻璃中由横向声子模软化所引发的类玻色子峰。尽管在一些电偶极无序的材料中，如弛豫铁电体，也观察到了低温比热异常的现象，但由于这些材料中同时混杂了结构无序的干扰，因此至今尚不清楚纯净偶极玻璃态（Dipole glass）中是否也会出现玻色子峰。

近期，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心先进材料与结构分析实验室A02课题组的博士生刘兆龙，在陈小龙研究员和金士锋副研究员的指导下，与国家纳米科学中心的高玉瑞研究员等合作，在结构高度有序的(CH₃NH₃)₄InCl₇单晶中，观测到了类玻色子峰现象。单晶衍射、电荷密度分析和变温拉曼测试等数据均表明，(CH₃NH₃)₄InCl₇材料的晶体结构（空间群为Pn）高度有序。其中，CH₃NH₃分子上氢原子的电荷均清晰可见，但结构中1/7的Cl离子未直接成键。对(CH₃NH₃)₄InCl₇单晶的低温比热测量显示，样品在约7K处出现了明显的类玻色子峰行为。类似于结构玻璃，该绝缘材料的极低温比热拟合中出现了线性项（γT），并在1K以下出现了由双能级系统（TLS）贡献的比热向上转折现象。基于结构分析、电极化测量以及DFT计算，研究团队提出，这些未成键Cl离子在7K仍具有极低的无规移动能量势垒（小于kT），即使小的无规移动（~0.1Å）也可引发偶极子可观的随机变化，导致了晶体内的偶极无序，因此(CH₃NH₃)₄InCl₇可以被视为一种不存在结构无序的偶极玻璃。此外，比热数据中出现的TLS线性项和转折的现象表明，隧穿模型在偶极玻璃中也依然有效。该发现不仅为玻色子峰的出现提供了新的起源，还引入了偶极玻璃的一种新形态，证明在不存在结构无序的系统中，偶极无序仍可作为玻色子峰异常的来源。

图(a) (CH₃NH₃)₄InCl₇ 晶体结构；(b) Cp/T-T关系图；(c) (CH₃NH₃)₄InCl₇的类玻色子峰；(d) TLS现象。

相关研究成果以“Boson-Peak-Like Anomaly Induced by Dipole Disordered States in(CH₃NH₃)₄InCl₇”为题在Physical Review Letters杂志上于2024年11月20日在线发表。中国科学院物理研究所博士生刘兆龙为第一作者，陈小龙研究员、金士锋副研究员，国家纳米研究中心高玉瑞研究员为共同通讯作者。物理所李世亮研究员，怀柔综合极端条件实验装置（SECUF）为相应的实验方面提供了帮助。该工作受到了中国科学院前沿科学重点研究计划，国家自然科学基金委、国家重点研发计划的资助。

编辑：月

1.2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

来源：老何的科学讲堂