自由电子模型

弛豫时间

/ ree-lak-SAY-shun time /

想象一个电子在电压驱动下穿过金属,渐渐朝一个方向攒起速度——直到「砰」地一下撞上点什么,方向感被一抹而空。弛豫时间,就是它在两次这种「抹去方向」的碰撞之间,平均能跑多长一段时间:也就是电子平均能「记得」自己本该往哪儿走多久。

它是德鲁德模型和索末菲模型里那只核心的钟。弛豫时间长,意味着电子能滑行好一阵才被撞偏,攒起可观的漂移,于是电导率高。弛豫时间短,则意味着不断被打断,金属迟钝而电阻大。自由电子模型里几乎每一个输运的数字,都能追溯到这一个时间尺度上。

它之所以重要,是因为它把所有复杂的散射——撞振动的原子、撞杂质、撞缺陷——统统打包进一个整洁的平均值里。要诚实地补一句:这也正是它的弱点。把真实的起因藏在一个数字背后,它单凭自己就解释不了弛豫时间为什么会随温度或纯度而变;要回答这个,你必须去看电子到底撞在什么上头。

在常温下的普通铜里,弛豫时间只有大约一万亿分之一秒的百分之一那么短。把铜冷下来、再提纯,这段时间就会被拉长——电子在两次「事故」之间跑得更远,金属也就导电更好。

把铜冷却并提纯,弛豫时间随之变长,导电性也变好。

弛豫时间(一段时长)和平均自由程(一段距离)是同一枚硬币的两面:把弛豫时间乘以电子的速度,就得到平均自由程。在金属里,这个速度是快速的费米速度,而不是那缓慢的漂移速度。

又称
scattering timecollision timeτ碰撞时间碰撞時間