Microstructure-specific mechanisms define multistage relaxation dynamics in a metallic model-glass

Recommended citation: Atila, Wang, Riechers, Maaß. "Microstructure-Specific Mechanisms Define Multistage Relaxation Dynamics in a Metallic Model-Glass." Submitted. (2025).
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Plain Language Summary

🇬🇧 English
Metallic glasses, unlike their crystalline counterparts, are disordered solids that slowly change over time, a process called relaxation or aging. Understanding these atomic-scale rearrangements is crucial but challenging, as traditional experimental methods often suggest a single, broad relaxation process. This paper addresses this by using advanced computer simulations of X-ray Photon Correlation Spectroscopy (XPCS) on a model metallic glass. This technique allowed researchers to directly observe and track the movement of atoms and the evolution of the material's internal structure during annealing, mimicking real-world aging processes over extremely long timescales. The study revealed a groundbreaking finding: metallic glasses don't relax in a single step, but through three distinct, sequential stages. Initially, atoms undergo rapid thermal vibrations, followed by a slower, collective 'string-like' motion where groups of atoms move together, leading to the formation of stable structural networks. Finally, at very long times, the material shows signs of topological and chemical ordering, hinting at the early stages of crystallization. These findings provide an unprecedented, detailed view of how microstructure dictates relaxation, challenging previous assumptions and opening new possibilities for designing metallic glasses with improved and predictable properties for various applications, from structural materials to electronics.

🇸🇦 العربية
تختلف الزجاجات المعدنية، على عكس نظيراتها البلورية، كونها مواد صلبة غير منظمة تتغير ببطء مع مرور الوقت، وهي عملية تُعرف بالاسترخاء أو الشيخوخة. فهم هذه الترتيبات الذرية على المستوى الدقيق أمر بالغ الأهمية ولكنه يمثل تحديًا، حيث تشير الطرق التجريبية التقليدية غالبًا إلى عملية استرخاء واحدة واسعة النطاق. تتناول هذه الورقة البحثية هذه المشكلة باستخدام محاكاة حاسوبية متقدمة لـ 'مطيافية ارتباط فوتونات الأشعة السينية' (XPCS) على زجاج معدني نموذجي. سمحت هذه التقنية للباحثين بالمراقبة المباشرة وتتبع حركة الذرات وتطور البنية الداخلية للمادة أثناء التلدين، محاكية عمليات الشيخوخة في العالم الحقيقي على مدى فترات زمنية طويلة للغاية. كشفت الدراسة عن اكتشاف رائد: الزجاجات المعدنية لا تسترخي في خطوة واحدة، بل عبر ثلاث مراحل متميزة ومتتالية. في البداية، تخضع الذرات لاهتزازات حرارية سريعة، تليها حركة جماعية أبطأ 'شبيهة بالخيوط' حيث تتحرك مجموعات من الذرات معًا، مما يؤدي إلى تكوين شبكات هيكلية مستقرة. أخيرًا، على مدى فترات زمنية طويلة جدًا، تظهر المادة علامات على الترتيب الطوبولوجي والكيميائي، مما يشير إلى المراحل المبكرة من التبلور. توفر هذه النتائج رؤية غير مسبوقة ومفصلة لكيفية تحديد البنية المجهرية للاسترخاء، مما يتحدى الافتراضات السابقة ويفتح إمكانيات جديدة لتصميم زجاجات معدنية بخصائص محسنة ويمكن التنبؤ بها لمختلف التطبيقات، من المواد الهيكلية إلى الإلكترونيات.

🇫🇷 Français
Les verres métalliques, contrairement à leurs homologues cristallins, sont des solides désordonnés qui changent lentement avec le temps, un processus appelé relaxation ou vieillissement. Comprendre ces réarrangements à l'échelle atomique est crucial mais difficile, car les méthodes expérimentales traditionnelles suggèrent souvent un processus de relaxation unique et large. Cet article aborde ce problème en utilisant des simulations informatiques avancées de spectroscopie de corrélation de photons X (XPCS) sur un verre métallique modèle. Cette technique a permis aux chercheurs d'observer et de suivre directement le mouvement des atomes et l'évolution de la structure interne du matériau pendant le recuit, imitant les processus de vieillissement réels sur des échelles de temps extrêmement longues. L'étude a révélé une découverte révolutionnaire : les verres métalliques ne se relaxent pas en une seule étape, mais à travers trois stades distincts et séquentiels. Initialement, les atomes subissent des vibrations thermiques rapides, suivies d'un mouvement collectif plus lent, 'en forme de chaîne', où des groupes d'atomes se déplacent ensemble, conduisant à la formation de réseaux structurels stables. Enfin, à très long terme, le matériau montre des signes d'ordre topologique et chimique, suggérant les premiers stades de la cristallisation. Ces découvertes offrent une vue détaillée sans précédent de la manière dont la microstructure dicte la relaxation, remettant en question les hypothèses précédentes et ouvrant de nouvelles possibilités pour concevoir des verres métalliques aux propriétés améliorées et prévisibles pour diverses applications, des matériaux structurels à l'électronique.

🇩🇪 Deutsch
Metallische Gläser sind im Gegensatz zu ihren kristallinen Gegenstücken ungeordnete Festkörper, die sich im Laufe der Zeit langsam verändern, ein Prozess, der als Relaxation oder Alterung bezeichnet wird. Das Verständnis dieser atomaren Umlagerungen ist entscheidend, aber herausfordernd, da traditionelle experimentelle Methoden oft einen einzigen, breiten Relaxationsprozess nahelegen. Diese Arbeit befasst sich mit diesem Problem, indem sie fortschrittliche Computersimulationen der Röntgen-Photonen-Korrelationsspektroskopie (XPCS) an einem Modell-Metallglas verwendet. Diese Technik ermöglichte es den Forschern, die Bewegung von Atomen und die Entwicklung der inneren Struktur des Materials während des Glühens direkt zu beobachten und zu verfolgen, wodurch reale Alterungsprozesse über extrem lange Zeitskalen nachgebildet wurden. Die Studie enthüllte eine bahnbrechende Erkenntnis: Metallische Gläser entspannen sich nicht in einem einzigen Schritt, sondern in drei unterschiedlichen, aufeinanderfolgenden Stadien. Zunächst erfahren die Atome schnelle thermische Schwingungen, gefolgt von einer langsameren, kollektiven „kettenartigen“ Bewegung, bei der Atomgruppen zusammenwandern, was zur Bildung stabiler struktureller Netzwerke führt. Schließlich, über sehr lange Zeiträume, zeigt das Material Anzeichen topologischer und chemischer Ordnung, was auf die frühen Stadien der Kristallisation hindeutet. Diese Ergebnisse liefern eine beispiellose, detaillierte Ansicht darüber, wie die Mikrostruktur die Relaxation bestimmt, frühere Annahmen in Frage stellt und neue Möglichkeiten für die Entwicklung metallischer Gläser mit verbesserten und vorhersagbaren Eigenschaften für verschiedene Anwendungen, von Strukturmaterialien bis zur Elektronik, eröffnet.