金属玻璃由于其特殊的结构及性质一直是材料科学研究的热点，但人们对于金属玻璃的微观结构和电子结构的认识仍然有限。上世纪80年代，研究者首先在水中发现了低密度非晶态（Low density amorphous）与高密度非晶态（High density amorphous）之间的非晶多形态转变（polyamorphism），随后在SiO₂、GeO₂玻璃，Si以及P中相继发现了压力诱导的非晶多形态转变，而金属玻璃由于具有无方向性的金属键，认为不会发生这种非晶多形态现象。

燕山大学亚稳材料国家重点实验室李工课题组与中国科学院高能物理研究所的研究人员合作，在北京同步辐射装置（BSRF）4W2-高压实验站上，利用金刚石对顶压砧高压技术对稀土基Gd₄₀Y₁₆Al₂₄Co₂₀和Pr₆₀Cu₂₀Al₁₀Ni₁₀金属玻璃样品进行了高压原位X射线衍射测试。在室温高压下，Gd基和Pr基金属玻璃没有发生晶化，具有良好的稳定性。但对结构因子S(q)的分析发现，在高压下结构因子峰的取向发生了改变，说明材料的结构在高压下发生了转变。通过进一步研究Gd和Pr基金属玻璃的第一衍射峰峰位随压力的变化关系，课题组发现了两种明显不同的态：低密度非晶态和高密度非晶态，证实金属玻璃中发生了非晶的多形态相变。但在Zr基和Co基金属玻璃的研究中，并没有发生这种非晶多形态转变现象。据此，他们认为稀土特有的4f电子是引起镧系金属玻璃非晶多形态转变的原因。此外，课题组对含有4f电子的Mg₆₅Cu₂₅Tb₁₀金属玻璃也进行了同样的研究，但在高压下并未发生非晶多形态转变，这是因为稀土Tb的含量太少，只作为溶质原子而非溶剂原子的缘故。这说明在镧系金属玻璃中，从溶剂成分的晶体多形态相变遗传的非晶多形态转变与4f电子态有关。

纯稀土金属与稀土基金属玻璃在高压下的变化具有很多的相似之处，常压时，4f电子完全以局域化的4f ¹电子态存在，随着压力的增加，4f ¹态电子逐渐的非局域化，向巡游态的4f ⁰电子态转变，同时伴随着体积的塌缩，从而引起了结构的变化。李工课题组认为，溶剂金属原子4f电子态变化的遗传本质上决定了金属玻璃中的非晶多形态转变。这种电子性质遗传特征的发现，对于研究其它包含局域-巡游态f电子转变或特殊物理性质的金属玻璃的非晶多形态转变具有重要的指导意义。相关研究成果发表在Phys. Rev. Lett.109. 125501 (2012)上。

图1 (a) Gd40Y16Al24Co20, Pr60Cu20Al10Ni10, and Ce70Al10Ni10Cu10 BMGs结构因子差值ΔS(q1)与波矢q的关系图。(b) Gd40Y16Al24Co20, and Pr60Cu20Al10Ni10 BMGs 第一峰峰位的倒数随压力的变化

图2 金属玻璃中与4f电子态相关的相变示意图

（BEPC信息员李恒提供）