无序、玻璃与局域化
随机势
/ RAN-dum puh-TEN-shul /
想象一颗弹珠,滚的不是光滑的桌面,而是一张皱巴巴的床单——满是没有任何规律的随机凹陷和凸起。弹珠能去哪儿、在哪儿加速、在哪儿陷进坑里,全取决于这片皱褶的地貌。随机势就是物理学家给电子在无序材料内部必须穿行的、这样一片崎岖能量地貌起的名字。
在物理里,势是一片能量地貌——一张标明粒子在每一点上有多少能量的地图,有把它吸进去的谷,也有它必须爬的坡。随机势就是那些坡和谷不规则地散布、没有重复图案的势,通常因为材料含有杂质、缺陷或非晶无序。穿越这样一片地貌的电子,被随机的起伏推来搡去。若起伏小,电子能穿行而过;若它们又深又密,电子就可能被钉在一处低洼里——这正是安德森局域化背后的机制。
随机势之所以重要,是因为它是物理学家为材料中电子所受无序影响建模的标准方式,把一块凌乱的真实固体,变成他们能计算的东西。这个领域里许多最深刻的结果——局域化、迁移率边、电导如何随无序增长而消亡——都来自研究随机势中的电子。需要提醒的是,这里的「随机」描述的是空间上的图案,在给定样品里一次定死;它并不意味着地貌在时间上抖动。对于单独一块材料,那些起伏是固定不动的。
把几百个磷原子随机撒进一块纯硅里,每个都会轻轻拽一下近旁的电子,在能量地貌里造出一个小谷。这些散落的谷,连同它们之间的凸起,合起来就构成一片随机势。电子必须在这片皱褶的地形上穿行,而它有多崎岖,决定了电子是自由流动还是被困住。
随机放置的掺杂原子刻出一片崎岖、不规则的能量地貌——随机势——电子必须从中穿过。
随机势是完美晶体那个周期势的无序表亲。在晶体里,能量地貌随点阵重复,电子像平滑的波一样穿行。把地貌改成随机的,那份平滑的穿行就可能崩解——这正是为什么无序会彻底改变电子的旅行方式。
又称
另见