物理群星
1958 凝聚态

安德森局域化

Anderson Localization

只要无序足够强,波就不再传播——它被困在原地,指数地衰减。这对电子、光、声音一律成立。

当时的困境

布洛赫 1928 年证明了一件漂亮的事:在完美周期的晶格里,电子的波函数铺满整块晶体,畅通无阻。金属的电阻不来自原子,而来自破坏周期性的东西。

那么反过来问:把周期性破坏得越来越厉害,会怎样?

直觉的答案是渐进的——散射多一点,平均自由程短一点,电阻大一点,如此而已。半导体工业当时正需要这个问题的答案:掺杂就是有意引入无序,而掺杂后材料的导电行为常常不符合简单预期。

更具体的触发是实验上的困惑。1950 年代有人发现,某些掺杂半导体里电子自旋的弛豫时间长得离谱——好像电子并没有像预期那样到处跑,而是待在原地。费赫尔把这些数据拿给安德森看。

洞见时刻

1958 年,安德森在贝尔实验室给出的答案比「电阻大一点」极端得多。

他考虑一个格点模型:每个格点上的势能不是相同的,而是在一定范围内随机取值。电子可以在相邻格点间跃迁。问题是:一个初始局限在某点的电子波包,长时间后会扩散开吗?

他证明:只要无序超过某个临界强度,就不会。波函数不再铺展,而是指数地局限在一小块区域里,尺度叫局域化长度。电子哪儿也去不了,材料因此绝缘。

关键在于这不是「被撞回来」那种经典图像。局域化是量子干涉的结果:电子从 A 到 B 有无数条路径,在随机势中这些路径的相位杂乱,向外传播的分量相互抵消,而回到原点的路径与它的时间反演路径相位始终相同,永远相长干涉。于是电子倾向于回到原地。

这也解释了它为什么对一切波都成立——干涉是波的普遍性质,与电子是不是带电、是不是费米子无关。

涟漪效应

这篇论文发表后十年几乎无人引用。它太抽象,而且当时无序体系被认为是「脏」问题,不入主流。安德森自己在诺贝尔演讲里说,这项工作长期被人认为是错的或者无关紧要的。

局面在 1970 年代改变。莫特把它用来解释非晶态半导体中的「迁移率边」——能带里存在一个分界能量,低于它的态是局域的,高于它的是扩展的,费米能穿过这个边时材料发生金属-绝缘体转变。1977 年安德森、莫特与范扶累克共享诺贝尔奖。

1979 年「四人帮」论文进一步指出:在一维和二维,任意弱的无序都足以让所有态局域化;只有三维才存在真正的相变。这个结论至今是无序体系理论的支柱。

随后它在别的波上被一一验证:微波在无序介质中被局域化、光在无序粉末中被局域化、声波、冷原子的物质波,甚至地震波。1980 年代之后,安德森局域化与量子霍尔效应的关系也被理清——量子霍尔平台之所以宽,正是因为杂质把大部分态局域化了,只有极少数扩展态参与导电。

如果没有它

半导体器件的尺寸不断缩小,到纳米量级时,材料里几个杂质原子的位置就能显著改变一个晶体管的行为——这正是局域化的领地。理解掺杂无序、界面粗糙、随机势起伏对载流子输运的影响,是当代器件设计绕不开的一环。

它还给了一个更普遍的教训:无序不是「理想情形的小修正」。在合适的条件下,无序会让体系进入一个性质完全不同的相。这个观念此后渗透进玻璃、自旋玻璃、多体局域化乃至量子信息的研究——一个系统会不会自己达到热平衡,答案有时是不会。安德森本人也留在了这条线上:1975 年他与爱德华兹写下自旋玻璃的第一个模型,四年后帕里西用复本对称破缺把它解开,得到的结论是无序加阻挫会让体系落进无穷多个互相嵌套的平衡态。

出处

正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。

  1. 1.安德森《某些无序格点中扩散的消失》,《物理评论》第 109 卷第 1492 页(1958)
  2. 2.布洛赫《论晶格中电子的量子力学》,《物理学杂志》第 52 卷(1929)——被安德森反过来追问的那个结论