無序、玻璃與局域化

安德森局域化

/ AN-der-suhn loh-kuh-lih-ZAY-shuhn /

想象你要在一個滿是鏡子、又隨意立著柱子的房間裡走直線。每一步你都撞上點什麼,影子朝四面八方散開;你非但沒能穿過房間,反而在一小塊地方沒完沒了地來回交錯。安德森局域化就是電子波在一種足夠凌亂的材料裡遭遇的情形:被無序一次又一次散射,它們被困在一小塊區域裡,再也鋪展不開。

安德森局域化是無序對一種波——通常是電子,但對光和聲也成立——的困住,而做這困住的並不是什麼牆或勢壘。因為電子是波,它會在無序材料的每一處不規則上彈回。當無序足夠強時,所有散射出的小波彼此干涉,偏偏以錯誤的方式相消——抵消掉一切會把電子帶遠的路徑,只增強那些把它帶回原地的路徑。電子的波被釘在一小塊區域上,並隨距離衰減,於是再也無法承載電流。這材料按簡單的計數本該導電,卻變成了絕緣體。

安德森局域化之所以重要,是因為它表明:單憑無序——不靠能隙,不靠電子不足——就能讓一種材料停止導電,把一個本應是金屬的東西變成絕緣體。這個思想深刻到足以分得 1977 年諾貝爾獎的一份。微妙之處在於它純粹是一種波的現象:它依賴量子干涉,所以在低維度裡最強,而任何打亂這份脆弱的波相干性的因素——比如給材料加熱——都能削弱它。

研究者已經用光、甚至用物質波直接觀察到了安德森局域化。在一個實驗裡,射進一種無序、被打得極細亂的介質的激光束並不像預期那樣鋪開;它反而凍成一幅斑點圖案,一個個亮點停在原處,每個都是一小團被困住的波。同樣的困住也在被釋放進隨機光學景觀的超冷原子身上看到過——它們就是停止了鋪展。

隨機介質中的光或原子會凍結成被困住的斑點,而不是鋪展開——這就是安德森局域化在起作用。

安德森局域化不同於電子被單個深勢阱或能隙困住。這裡沒有任何東西從物理上擋住電子;做這困住的,是波在整片隨機景觀上與自身干涉。去掉波動性——比如讓電子表現得更像經典的小球——這效應就消失了。

又稱
strong localization安德森局域