無序、玻璃與局域化
阻挫
/ fruh-STRAY-shun /
讓三個朋友圍一張圓桌坐下,每人都想坐在自己討厭的人對面。只有三個座位、三個人,這根本辦不到——總有人最後挨著一個他寧可避開的人。沒有任何坐法能讓所有人都滿意。這種無法同時滿足每一項訴求的注定失敗,就是物理學家所說的阻挫。
當支配一個系統各部分的規則因為彼此朝相互衝突的方向拉扯、而無法同時被遵守時,阻挫就發生了。經典的例子是磁性的:把三個微小的原子磁體放在一個三角形的三個角上,每個都想朝向與鄰居相反。頭兩個可以好好地彼此相反,可第三個無法同時與兩者都相反——幾何不允許。於是系統沒有唯一的最佳排佈;它反而有許多同樣好(或同樣受挫)的排佈,無法只安頓到其中一種。
阻挫之所以重要,是因為它是某些最奇異的物態背後的引擎:自旋玻璃、自旋液體,以及那些一直到最低溫度都保持無序或不安、從不凍成簡單有序圖案的材料。常見的混淆是以為阻挫意味著作用力是弱的或隨機的。它可以純粹來自幾何,即便作用是完全乾淨、強勁、全等的——單憑點陣的形狀,就能讓滿足成為不可能。
自旋冰,見於鈦酸鏑等某些晶體,是幾何阻挫的一個美麗案例。它的磁性原子坐在彼此相連的四面體的角上,遵循一條規則——每個四面體裡兩個自旋朝內、兩個朝外——而這條規則無法被唯一地滿足。其結果與普通水冰裡氫原子的排佈如出一轍,並讓材料即便在最冷的溫度下也殘留著無序。
在自旋冰裡,每個四面體上「兩進兩出」的規則無法被唯一滿足——幾何阻挫留下了殘餘的無序。
阻挫不等於隨機。一個完全規整的三角點陣,作用全等、毫無無序,仍可能純因其形狀而深陷阻挫。反過來,許多隨機的系統並不受挫。阻挫關乎的是相互衝突的訴求,不論這訴求來自何處。
又稱
另見