近日，成都理工大学物理学院王宇杰课题组在《通讯-物理》[commun. Phy., 8, 157 (2025)]杂志上发表了题为 “Testing Adam-Gibbs relationship in tapped granular packings” 的论文。研究成果表明，颗粒物质的缓慢弛豫行为遵循与玻璃态液体相似的热力学规律，为理解无序颗粒体系与过冷液体之间的深刻联系提供了关键证据。

颗粒物质广泛存在于自然界与工业应用中，是由宏观粒子组成的耗散体系，只有当存在外界能量馈入时才能发生缓慢的结构变化。颗粒物质的慢动力学现象类似于玻璃物质中结构的缓慢弛豫现象，两者也有着相似的无序堆积结构。所以在过去的研究中，人们也常常将颗粒视作硬球玻璃系统的宏观模型，用以帮助理解玻璃化转变这一凝聚态物理领域的未解难题。然而，为何具有摩擦性质的颗粒系统可以类比到理想的无摩擦硬球液体？摩擦系数不同的颗粒物质又是否有着普适的动力学和统计力学规律？这些问题尚未被充分理解。

团队利用X射线CT成像，对摩擦系数不同的球形颗粒堆积进行了三维成像，并追踪了堆积结构在不同强度的外部振动下的演化过程。团队基于为颗粒堆积体系而推广的统计力学框架（即Edwards体积系综理论），计算出体系的有效温度、构型熵等热力学量。研究表明，体系的弛豫时间与有效温度一一对应，表现出与粒子摩擦性质无关的普适动力学规律；并且，不同摩擦系数的颗粒物质的构型熵可以通过归一化，映射为硬球液体的构型熵，而弛豫时间、有效温度、构型熵之间的关系满足在玻璃体系中被广泛验证的Adam-Gibbs规律，从而进一步验证颗粒物质与硬球玻璃体系之间的深刻联系。

图1：不同颗粒系统统一动力学行为。(a)弛豫时间与有效温度，(b)弛豫时间与熵

这一研究是团队近年关于颗粒物质统计力学的系列研究工作之一（Nat. Phys., 20, 646 (2024)，Phys. Rev. Lett., 129, 228004 (2022)，Phys. Rev. Lett., 127, 018002 (2021)），这项最新研究揭示了颗粒物质弛豫动力学的统计力学起源，同时表明，将无序固体领域中成熟的理论框架推广至颗粒物质的研究是合理、可行的，这为建立完善的颗粒物质的统计力学和动力学理论提供了重要的理论手段。

论文的第一作者是物理学院2022级硕士研究生艾新雨，物理学院王宇杰教授与华东师范大学物理与电子科学学院夏成杰副教授为论文的共通通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金No. 12274292的支持。

文章链接：https://www.nature.com/articles/s42005-025-02070-9