Неупорядоченная система

Идеальный кристалл, который в общем состоит из атомов нескольких сортов, характеризуется как геометрической правильностью положения всех атомов (трансляционная симметрия), так и регулярностью расположения атомов разных сортов (композиционный порядок). С учётом этого в неупорядоченных системах можно выделить два возможных типа разупорядочения.

1. Композиционное разупорядочения.

В случае композиционного разупорядочения трансляционная симметрия сохраняется, однако нарушена регулярность расположения атомов разных сортов. Такой тип неупорядоченности принято называть композиционным. Примером может быть бинарный металлический сплав, в узлах решетки которого могут располагаться с определённой вероятностью атомы того или иного сорта.

2. Трансляционной разупорядочения.

В случае трансляционного разупорядочения трансляционная симметрия каркаса отсутствует, то есть отсутствует дальний порядок, хотя ближний порядок сохраняется. Такой тип неупорядоченности иногда называют структурным или топологическим. Так, например, в структурах с тетраэдрической координацией отсутствие дальнего порядка может быть связана со случайностью расположения отдельных тетраэдров, которое отличается от правильного их расположения в кристалле.

В неупорядоченных системах нарушение дальнего порядка может быть обусловлено композиционным, трансляционным или одновременно обоими типами неупорядоченности.

1. Жидкости. В жидкостях нарушение трансляционной симметрии обусловлено тепловым движением атомов и молекул.
2. Аморфные и стекловидные вещества. Нарушение дальнего порядка обусловлены как типом структуры, так и пространственными флуктуациями в положении атомов, которые возникают в процессе изготовления материала.
3. Сильнолегированные полупроводники. Нарушение дальнего порядка объясняется хаотическим расположением примесных атомов.
4. Неупорядоченные металлические и полупроводниковые сплавы . Нарушение дальнего порядка обусловлено тем, что в заданном узле решетки с определённой вероятностью может быть атом любого из компонентов сплава.
5. Спиновое стекло. Свойства этих материалов обусловлены неустойчивостью и не согласованностью магнитных взаимодействий между атомами. В твердых растворах и сплавах, содержащих магнитные атомы, возникает неупорядоченность в положении их спинов. Энергия спин-спиновой взаимодействия сильно зависит от расстояния и может менять знак при небольших вариаций межатомных расстояний. Такие системы называются спиновым стеклом.
6. Поверхности кристаллов. Нарушение дальнего порядка объясняется структурными дефектами самой поверхности и хаотично расположенными на ней адсорбированным и атомами и молекулами.

Из-за отсутствия дальнего порядка для описания физических свойств неупорядоченных систем нельзя непосредственно пользоваться математическим аппаратом, развитым для кристаллов. Строго говоря, в большинстве неупорядоченные системы находятся в термодинамически неравновесном состоянии. Тем не менее для неупорядоченных систем практически всегда существует относительно жесткий каркас, который состоит из атомов и ионов, на фоне которого реализуется динамика быстрых степеней свобод — электронов проводимости, длинноволновых фононов и др. Каркас может быть и жестко не фиксированным, однако время его перестройки достаточно большое по сравнению с характерным временем быстрых процессов. Например, в металлической жидкости позиции ионов в каждый момент времени является равновесным для легких и соответственно подвижных электронов проводимости.

Электрические и оптические свойства неупорядоченных систем в значительной степени обусловлены общими для всех неупорядоченных систем особенностями — отсутствием пространственной периодичности потенциальной энергии носителей заряда и наличием в ней случайного поля[2] . Важным в современной физике неупорядоченных систем является положение о локализации электронов в таких системах. На нем базируются основные представления об энергетическом спектре, кинетические и другие электронные явления в таких системах. Впервые это положение было сформулировано Ф. Андерсоном в 1958 году[3] и позже развито Н. Моттом, который сформулировал основные закономерности электронной теории неупорядоченных систем[4].

В неупорядоченных системах потенциал электрического поля, в котором движутся электроны, меняется случайным образом. Электроны, энергия которых меньше максимального значения потенциала, локализуются в потенциальных ямах, образованных случайным полем. Если длина локализации невелика по сравнению с расстоянием между центрами локализации, электрон с потенциальной ямы тепловыми колебаниями атомов может быть переброшен в соседнюю потенциальную яму, в которой могут существовать локализованные состояния с близкой энергией. Такой перенос электронов называется прыжковым транспортом и реализуется, например, в аморфных полупроводниках. Другая особенность электронного переноса в неупорядоченных средах обусловлена существованием критической концентрации примесей, при которой проводник при нулевой температуре превращается в диэлектрик. В неупорядоченных средах также проявляются квантово-механические явления, нехарактерные для кристаллов, в частности, явления слабой локализации и межэлектронной интерференции, которые, среди прочего, приводят к появлению в таких материалах отрицательного магнетосопротивления, аномального поведения электрического сопротивления с изменением температуры, рост интенсивности рассеяния света назад в коллоидных растворах (слабая локализация электромагнитных волн[5]) и др.