液體被快速冷卻至低溫，通常會產生大量結構缺陷，而低溫液體的擴散速率較低，使其難以克服結構缺陷形成晶體。快速冷卻能够促進帶電膠體粒子體系玻璃化，但不利於晶化。
北京大學物理學院量子材料科學中心、量子物質資料協同創新中心徐莉梅教授課題組與復旦大學物理系譚鵬教授、日本東京大學Hajime Tanaka教授等合作，在極低溫下晶體快速生長研究中獲得重要發現。研究表明，晶體的快速生長需要具備兩個條件：一是在晶體-液體之間形成較厚的介面層；二是介面層內的結構具備克服缺陷迅速轉化為晶體的能力。帶電膠體粒子的特別之處在於，它們擁有較“軟”且相對長程的相互作用——庫侖遮罩勢。該類系統介面層較厚，且形成的無序結構天然具有不穩定性，易於向晶體轉化。囙此，在晶體表面，液體-介面-晶體的轉化過程可像多米諾骨牌般“連鎖”發生。利用膠體懸濁液和分子動力學類比，聯合研究團隊成功觀測到單粒子層面晶體低溫快速生長的微觀過程，給出了低溫無擴散生長的直接證據。他們也發現，這種快速生長在極低溫下仍可發生，並存在介面誘導的快速結晶現象；這一現象是通過無擴散的兩步過程實現的：先在晶體表面形成較厚的介面層；介面層內的粒子再修復缺陷形成晶體（圖b）。此項研究對深入理解快速結晶過程、抑制玻璃化和晶體品質控制有重要意義。
2021年5月6日，相關研究成果以“晶體在極低溫下的快速生長”（Fast growth at ultra-low temperatures）為題，線上發表於《自然·材料》（Nature Materials）；復旦大學物理系2017級博士研究生高瓊和北京大學物理學院量子材料科學中心2016級博士研究生艾靖東是共同第一作者，徐莉梅、譚鵬、Hajime Tanaka是共同通訊作者。
上述工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計畫、上海市科學技術委員會科技創新行動計畫、上海市青年科技啟明星計畫等支持。
原文連結：https://www.nature.com/articles/s41563-021-00993-6
a.帶電膠體粒子（Yukawa排斥勢【Reminder:Yukawa勢在正文中未出現】）的晶體可在低溫下快速生長，且生長速率對溫度不敏感；b.在晶體生長過程中，先在晶體表面形成具有層狀結構的介面層，然後再生成晶體，圖中Q6是表徵晶體結構的序參量，La是表徵層狀結構好壞的序參量；c.在極低溫下（<0.6Tm），介面層厚度l與單粒子由液體到晶體的平均轉化時間τ主要由誰和誰的相互作用决定，用無擴撒模型l/τ預測的生長速率與實際觀測結果吻合
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