非週期、複雜與前沿結構

非公度結構(incommensurate structure)

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想像兩條並排鋪設的鐵軌,一條每 3 公尺一根枕木,另一條每 3.7 公尺一根。沿路走去,兩組枕木時而合拍、時而錯開:有時對齊,接著又滑開,而由於 3 與 3.7 沒有共同的整數倍,無論你走多遠,它們「永遠」不會回到完美對齊。兩個彼此不肯相合的週期——這就是非公度。非公度結構就是把這個問題內建在原子裡的晶體:兩個週期圖案的重複長度成無理比,於是合起來的結構永不真正重複。

「公度」(commensurate)意思是「能用共同單位度量」:兩個長度若比值是有理數(如 5/2),它們就是公度的,因為某個更大的晶胞能各裝進整數個。非公度則是比值為無理數(如 sqrt 2 或黃金比),所以不存在共同晶胞。這在真實晶體中以幾種方式發生:原子可能乘著一道位移波,其波長是基本間距的無理倍數;組成可能與晶格不同步地上下起伏;或兩個互相貫穿的次晶格(一個「主體」與一個「客體」,如某些通道化合物)各有自己不相容的週期。每一種情況下,繞射都顯示出洩底的徵兆:來自平均晶格的強「主」點,加上位在無理位置、需要一個額外整數才能標記的較弱「衛星」點。

非公度結構之所以重要,是因為它們常見而且在物理上重要,並非奇特的珍玩。它們出現在礦物中(某些長石與針碲金礦)、電荷密度波金屬與低維導體中、某些接近相變的鐵電體中,以及熱電通道化合物中。人們用超空間方法處理它們——抬升到 (3+1) 或 (3+2) 維,讓它們重新變成週期的——而在歷史上,它們是第一批逼使晶體學家超越三整數指標化的非週期晶體,早在準晶登場之前許多年。

在電荷密度波金屬中,傳導電子聚集成一道週期為原子間距 4.1 倍的密度波。由於 4.1 相對於 1 是無理的,這道波與晶格永不重新對齊。繞射顯示主布拉格點,加上被無理波向量 q = 0.244(以倒格間距為單位)偏移的衛星點——非公度調變的指紋。

非公度 = 兩個成無理比、永不重新對齊的週期;繞射顯示主點加上位在無理位置的衛星點。

非公度是精度程度的問題:像 4.100000 這樣量到真正無理的比值是非公度的,但鄰近的有理「鎖定」值(比方說恰好 4/1)會讓它與一個大的普通晶胞公度。溫度常常在兩者之間切換一個結構。

又称
incommensurately modulated crystal非公約結構不可公度結構