Невпорядковані системи
Невпорядкована система (англ. disordered system) — конденсована макроскопічна система, в якій відсутній дальній порядок в розташуванні частинок. До невпорядкованих систем належать, зокрема, рідини, аморфні та склоподібні речовини. Не дивлячись на відсутність дальнього порядку, ближній порядок в таких системах може зберігатися [1].
Важливою закономірності невпорядкованих систем є властивість просторової однорідності в середньому та відсутність кореляції між значеннями величин, що характеризують невпорядкованість системи, в нескінченно віддалених одна від одної точках. Наслідком цього є самоусереднюваність питомих екстенсивних величин. Саме такі величини характеризують експериментально спостережувані фізичні властивості невпорядкованих систем.
Фізика невпорядкованих систем є одним з найважливіших розділів фізики конденсованих середовищ.
Типи невпорядкованості[ред. | ред. код]
Ідеальний кристал, який в загальному складається з атомів кількох сортів, характеризується як геометричною правильністю положення всіх точок каркаса (трансляційна впорядкованість), так і регулярністю розташування атомів різних сортів (композиційний порядок). З урахуванням цього в невпорядкованих системах можна виділити два можливих типи розупорядкування.
1. Композиційне розупорядкування.
У випадку композиційного розупорядкування трансляційна симетрія зберігається, однак порушена регулярність розташування атомів різних сортів. Такий тип невпорядкованості прийнято називати композиційним. Прикладом може бути бінарний металічний сплав, у вузлах решітки якого можуть розташовуватися з певною ймовірністю атоми того чи іншого сорту.
2. Трансляційне розупорядкування.
У випадку трансляційного розупорядкування трансляційна симетрія каркаса відсутня, тобто відсутній дальній порядок, хоча ближній порядок зберігається. Такий тип невпорядкованості іноді називають структурним або топологічним. Так, наприклад, в структурах з тетраедричною координацією відсутність дального порядку може бути пов'язана з випадковістю разташування окремих тетраедрів, яке відрізняється від правильного їх розташування в кристалі.
В невпорядкованих системах порушення дального порядку може бути зумовлене композиційним, трансляційним або одночасно обома типами розупорядкування.
Основні типи невпорядкованих систем[ред. | ред. код]
- Рідини. В рідинах порушення трасляційної симетрії зумовлене тепловим рухом атомів та молекул.
- Аморфні та склоподібні речовини. Порушення дального порядку зумовлені як типом структури, так і просторовими флуктуаціями в положенні атомів, які виникають в процесі виготовлення матеріалу.
- Сильнолеговані напівпровідники. Порушення дального порядку пояснюється хаотичним розташуванням домішкових атомів.
- Невпорядковані металічні та напівпровідникові сплави. Порушення дального порядку зумовлюється тим, що в заданому вузлі ґратки з певною ймовірністю може бути атом будь-якого з компонентів сплаву.
- Спінове скло. Властивості цих матеріалів зумовлені невпорядкованістю та неузгодженністю магнітних взаємодій між атомамим. В твердих розчинах та сплавах, які містять магнітні атоми, виникає невпорядкованість в положенні їх спінів. Енергія спін-спінової взаїмодії сильно залежить від відстані і може змінювати знак за невеликих варіацій міжатомних відстаней. Такі системи називаються спіновим склом.
- Поверхні кристалів. Порушення дального порядку пояснюється структурними дефектами самої поверхні та хаотично розташованими на ній адсорбованими атомами та молекулами.
Фізичні властивості невпорядкованих систем[ред. | ред. код]
Через відсутність дального порядку для опису фізичних властивостей невпорядкованих систем не можна безпосередньо користуватися математичним апаратом, розвинутим для кристалів. Строго кажучи, в більшості невпорядковані системи знаходяться в термодинамічно нерівноважному стані. Тим не менше для невпорядкованих систем практично завжди існує відносно жорсткий каркас, який складається із атомів та іонів, на фоні якого реалізується динаміка швидших ступенів свободи — електронів провідності, фононів тощо. Каркас може бути й жорстко не фіксованим, однак час його перебудови достатньо великий в порівнянні з характерним часом швидших процесів. Наприклад, в металічній рідині позиції іонів в кожний момент часу є рівноважними для легших і відповідно рухливіших електронів провідності.
Електричні та оптичні властивості невпорядкованих систем значною мірою зумовлені спільними для всіх невпорядкованих систем особливостями — відсутністю просторової періодичності потенціальної енергії носіїв заряду та наявністю в ній випадкового поля[2]. Важливим в сучасній фізиці невпорядкованих систем є положення про локалізацію електронів в таких системах. На ньому базуються основні уявлення про енергетичний спектр, кінетичні та інші електронні явища в таких системах. Вперше це положення було сформульовано Ф. Андерсоном в 1958 році[3] і пізніше розвинуте Н. Моттом, який сформулював основні закономірності електронної теорії невпорядкованих систем[4].
В невпорядкованих системах потенціал електричного поля, в якому рухаються електрони, змінюється випадковим чином. Електрони, енергія яких менша за максимальне значення потенціалу, локалізуються в потенціальних ямах, утворених випадковим полем. Якщо довжина локалізації невелика в порівнянні з відстанню між центрами локалізації, електрон з потенціальної ями тепловими коливаннями атомів може бути перекинутий в сусідню потенціальну яму, в якій можуть існувати локалізовані стани з близькою енергією. Таке перенесення електронів називається стрибковим транспортом і реалізується, наприклад, в аморфних напівпровідниках. Інша особливість електронного переносу в невпорядкованих середовищах зумовлена існуванням критичної концентрації домішок, за якої провідник за нульової температури перетворюється в діелектрик. В невпорядкованих середовищах також проявляються квантово-механічні явища, нехарактерні для кристалів, зокрема, явища слабкої локалізації та міжелектронної інтерференції, які, серед іншого, призводять до появи в таких матеріалах негативного магнітоопору, аномальної поведінки електроопору зі зміною температури, зростання інтенсивності розсіяння світла назад в колоїдних розчинах (слабка локалізація електромагнітних хвиль[5]) тощо.
Див. також[ред. | ред. код]
Примітки[ред. | ред. код]
- ↑ Названов В. Ф. Физика неупорядоченных полупроводников: Учеб. пособие для студ. физ. и мех.- мат. фак. − Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2004. − 56 с.: ил. ISBN 5-292-03340-5.(рос.)
- ↑ Бонч-Бруевич В.Л. и др. Электронная теория неупорядоченных полупроводников. - М.: Наука, 1981. - 384 с.(рос.)
- ↑ Anderson, P. W. (1958). "Absence of Diffusion in Certain Random Lattices". Phys. Rev. 109 (5): 1492–1505.(англ.)
- ↑ Мотт Н., Дэвис Э. Электронные процессы в некристаллических веществах: В 2 т. (2-е изд., перераб. и доп.). М.: Мир, 1982.(рос.)
- ↑ Wolf, P.; Maret, G. (1985). Weak Localization and Coherent Backscattering of Photons in Disordered Media. Phys. Rev. Lett. 55: 2696.(англ.)