正电子探针揭示高熵合金短程有序结构取得重要进展

针对多主元合金体系短程有序结构的表征难题，中国科学院高能物理研究所曹兴忠研究员团队联合大连理工大学卢一平教授团队，结合正电子湮没谱学实验表征和理论模拟提出了一种精确识别的研究方法。该研究成果以“Positron annihilation in multiprincipal element alloys for the identification of chemical short-range-order structures”为题，近期发表于《物理评论快报》[Phys. Rev. Lett. 137, 026101 (2026)]。

多主元合金因其优异的力学性能、热稳定性和辐照抗性，已成为当代先进结构材料领域的研究前沿，不同元素间的原子在微观尺度往往会产生非随机分布，形成具有特定拓扑结构的短程有序(SRO)区域。这种原子-纳米尺度的局部有序化结构，是决定材料形变机制、相变动力学及宏观功能特性的核心因素。然而，由于SRO结构具有空间尺度极小、化学环境复杂以及与基体相似度极高等特征，如何在兼顾统计代表性的前提下，实现对该类复杂有序结构的精确识别与原位表征，已成为制约高性能合金设计与服役评价的关键科学难题。

图1正电子湮没谱学表征短程有序结构示意图。

正电子是人类发现的首个反物质，其电荷为正，质量与电子相等，与电子相遇时会湮没并转化为γ光子，并遵循能量、动量和电荷守恒定律。基于这一特性发展出的正电子湮没谱学，是一种对材料微观结构高度敏感的无损分析技术为破解上述难题提供了独特的物理视角。从微观物理机制来看，正电子进入材料后，其湮没行为本质上是对局部电子密度分布及势场波动的反馈。通过精确理解正电子在材料内部的正电子寿命、多普勒展宽等湮没信号，研究者可以从电子动量分布与局域电荷密度的维度，逆向提取关于原子尺度结构浓度、化学组分涨落及纳米团簇构型等关键信息。当前，正电子湮没技术的应用范畴正经历从传统“单一空位型缺陷”向“复杂多组元局域环境”的深度拓展。将该技术表征的灵敏度提升至对SRO结构的特征响应水平，不仅能够为多主元合金的结构-性能关联提供强有力的实验支撑，更对于发展先进表征方法学、构建跨尺度微观结构分析体系具有重要的学术价值。

针对多主元合金中SRO结构的表征难题，研究团队建立了结合正电子湮没谱学实验表征与多尺度理论模拟的精确识别与结构分析方法，深入揭示了等原子比NbTiZr合金原子-纳米尺度复杂有序结构对正电子捕获湮没模型的作用机理。理论模拟创新方面，利用双组元密度泛函理论(TCDFT)阐明了正电子在复杂合金晶格中的“半局域化(Semi-localized)”分布特征，从原子尺度解析了晶格畸变与局域电荷转移对正电子响应的影响，为识别SRO结构诱导的元素选择性湮没提供了关键的物理支撑。实验精确识别结果表明，NbTiZr体系内的SRO程度随时效温度降低而增强，其诱导的Nb、Zr原子聚集显著改变了局域电子动量分布，在正电子湮没多普勒展宽能谱中呈现出独特的“物理指纹”，同步辐射小角X射线散射(SAXS)的测量结果证实了正电子对纳米尺度化学成分涨落捕捉的准确性。

图2 正电子在多主元合金晶格中的密度分布与湮没特性。

论文即确证了NbTiZr多主元合金中SRO的演化规律，又创新了复杂结构精准识别的方法学：突破了正电子湮没谱学专注于空位缺陷灵敏检测的固有应用范畴，建立并实现了复杂体系原子尺度局域化学有序结构精准识别的理论与实验相结合的完整范式，为先进材料微观结构表征提供了具备统计代表性的量子探针新路径。

图3 NbTiZr短程有序结构的实验与理论正电子湮没特性对比。

高能物理研究所多学科研究中心杨启贵博士为论文第一作者，曹兴忠研究员为论文通讯作者;大连理工大学材料学院博士生王茜茜为论文共同第一作者，卢一平教授为论文共同通讯作者。