Neuspořádaný systém

Neuspořádaný systém je kondenzovaný makroskopický  systém , ve kterém neexistuje řád v uspořádání částic na velké vzdálenosti. Mezi neuspořádané systémy patří zejména kapaliny , amorfní a skelné látky. Navzdory absenci řádu na dlouhé vzdálenosti lze v takových systémech zachovat řád na krátké vzdálenosti [1] .

Důležitou zákonitostí neuspořádaných systémů je vlastnost průměrné prostorové homogenity a absence korelace mezi hodnotami veličin charakterizujících neuspořádanost systému v bodech nekonečně vzdálených od sebe. Důsledkem toho je samoprůměrování konkrétních rozsáhlých veličin. Právě tyto veličiny charakterizují experimentálně pozorované fyzikální vlastnosti neuspořádaných systémů.

Fyzika neuspořádaných systémů je jedním z nejdůležitějších odvětví fyziky kondenzovaných látek .

Typy poruch

Ideální krystal , který se obecně skládá z atomů několika druhů, se vyznačuje jak geometrickou pravidelností polohy všech atomů ( translační symetrie ), tak pravidelností uspořádání atomů různého druhu (kompoziční pořadí). S ohledem na to lze v neuspořádaných systémech rozlišit dva možné typy poruch.

1. Porucha kompozice.

V případě kompozičního neuspořádanosti je zachována translační symetrie , ale je narušeno pravidelné uspořádání atomů různých typů. Tento typ poruchy se běžně nazývá kompoziční. Příkladem může být binární kovová slitina, v jejíchž místech mřížky mohou být s určitou pravděpodobností umístěny atomy toho či onoho druhu .

2. Porucha translace.

V případě translační poruchy neexistuje translační symetrie rámce, tj. neexistuje řád na dlouhé vzdálenosti, ačkoli je zachován řád na krátké vzdálenosti. Tento typ poruchy se někdy nazývá strukturální nebo topologická porucha . Například ve strukturách s tetraedrickou koordinací může být nepřítomnost řádu na dlouhé vzdálenosti způsobena náhodným uspořádáním jednotlivých čtyřstěnů , které se liší od jejich správného uspořádání v krystalu.

V neuspořádaných systémech může být porušení řádu na dlouhé vzdálenosti způsobeno kompozičním, translačním nebo oběma typy poruch.

Hlavní typy neuspořádaných systémů

  1. Tekutiny. V kapalinách je porušení translační symetrie způsobeno tepelným pohybem atomů a molekul.
  2. Amorfní a sklovité látky. Porušení řádu dlouhého dosahu je způsobeno jak typem struktury, tak prostorovým kolísáním polohy atomů, ke kterým dochází při výrobě materiálu.
  3. Silně dotované polovodiče . Porušení řádu na dlouhé vzdálenosti se vysvětluje chaotickým uspořádáním atomů nečistot.
  4. Neuspořádané kovové a polovodičové slitiny . Porušení řádu na dlouhé vzdálenosti je způsobeno tím, že na daném místě mřížky se s určitou pravděpodobností může nacházet atom libovolné složky slitiny.
  5. Otočné sklo . Vlastnosti těchto materiálů jsou způsobeny nestabilitou a nekonzistencí magnetických interakcí mezi atomy. V pevných roztocích a slitinách obsahujících magnetické atomy vzniká neuspořádanost v poloze jejich spinů. Energie interakce spin-spin silně závisí na vzdálenosti a může měnit znaménko s malými odchylkami v meziatomových vzdálenostech. Takové systémy se nazývají rotující brýle.
  6. Krystalové povrchy . Porušení řádu dlouhého dosahu se vysvětluje strukturálními defekty samotného povrchu a adsorbovaných atomů a molekul náhodně umístěných na něm.

Fyzikální vlastnosti neuspořádaných systémů

Kvůli absenci řádů na dlouhé vzdálenosti nelze přímo použít matematický aparát vyvinutý pro krystaly k popisu fyzikálních vlastností neuspořádaných systémů. Přísně vzato, většina neuspořádaných systémů je v termodynamicky nerovnovážném stavu . Nicméně pro neuspořádané systémy téměř vždy existuje relativně rigidní rámec, který se skládá z atomů a iontů , proti kterým je dynamika rychlých stupňů volnosti - vodivostní elektrony, fonony s dlouhými vlnami atd. velká ve srovnání s charakteristickou dobou rychlého procesy. Například v kovové kapalině jsou polohy iontů v každém časovém okamžiku v rovnováze pro světlo, a tedy i pohyblivé vodivé elektrony.

Elektrické a optické vlastnosti neuspořádaných systémů jsou z velké části dány vlastnostmi společnými všem neuspořádaným systémům – absencí prostorové periodicity potenciální energie nosičů náboje a přítomností náhodného pole v ní [2] . V moderní fyzice neuspořádaných systémů je důležitý postoj k lokalizaci elektronů v takových systémech. Vychází ze základních představ o energetickém spektru, kinetických a dalších elektronických jevech v takových systémech. Tento postoj poprvé formuloval F. Anderson v roce 1958 [3] a později jej rozvinul N. Mott , který formuloval základní zákony elektronické teorie neuspořádaných systémů [4] .

V neuspořádaných systémech se potenciál elektrického pole , ve kterém se elektrony pohybují, mění náhodně. Elektrony, jejichž energie je menší než maximální hodnota potenciálu, jsou lokalizovány v potenciálových jamkách tvořených náhodným polem. Pokud je délka lokalizace malá ve srovnání se vzdáleností mezi lokalizačními centry, může být elektron z potenciálové jámy přenesen tepelnými vibracemi atomů do sousední potenciálové jámy, ve které mohou existovat lokalizované stavy s podobnými energiemi. Tento přenos elektronů se nazývá hopping transport a je realizován např. v amorfních polovodičích. Dalším rysem přenosu elektronů v neuspořádaném prostředí je existence kritické koncentrace nečistot, při které se vodič při nulové teplotě mění v dielektrikum . Neuspořádaná média také vykazují kvantově mechanické jevy, které nejsou charakteristické pro krystaly, zejména jevy slabé lokalizace a mezielektronické interference, které mimo jiné vedou k tomu, že se v takových materiálech objevuje negativní magnetorezistence , anomální chování elektrického odporu s teplotou , zvýšení intenzity zpětného rozptylu světla v koloidních roztocích (slabá lokalizace elektromagnetických vln [5] ) atp.

Poznámky

  1. Jmenován V. F. Fyzika neuspořádaných polovodičů: Proc. příspěvek na studenty. fyzický a kožešiny - mat. fak. − Saratov: nakladatelství Sarat. un-ta, 2004. − 56 s.: nemocný. ISBN 5-292-03340-5 .(ros.)
  2. Bonch-Bruevich V. L. et al. Elektronická teorie neuspořádaných polovodičů. - M .: Nauka, 1981. - 384 s. (ros.)
  3. Anderson, PW (1958). Absence difúze v určitých náhodných mřížkách. Phys. Rev. 109(5): 1492-1505.(anglicky)
  4. Mott N., Davis E. Elektronické procesy v nekrystalických látkách: Ve 2 svazcích (2. vyd., přepracováno a doplněno). M.: Mir, 1982. (ros.)
  5. Wolf, P.; Maret, G. (1985). Slabá lokalizace a koherentní zpětný rozptyl fotonů v neuspořádaných médiích. Phys. Rev. Lett. 55:2696