介观体系和介观物理

摘要

@@20世纪80年代初中期开始兴起的介观物理是凝聚态物理中人们十分关注的研究领域，“介观”一词大家已听得很多了.一段时间以来，常读到介观尺度是由电子非弹性散射平均自由程决定的说法，觉得不太确切.想到这一说法可能和我早先发表在《物理》杂志的文章［1］，以及我们主编的《介观物理》一书第一版的前言［2］有关，特写此短文说明.这里的说明也许仍有不妥之处，请读者指正.1 介观尺度 介观体系的大小是由介观尺度来刻划的.介观尺度是载流子保持相位记忆的长度，一般记为Lφ，称为退相位长度.相位记忆的丢失源于载流子的非弹性散射，因此Lφ必定是与非弹性散射有关的尺寸.电子和声子的散射，电子吸收或放出一个声子，能量发生改变，是电子最常碰到的非弹性散射.如果把介观尺度理解为非弹性散射的平均自由程，又把后者理解为vFτφ，其中vF是电子的费米速度，τφ是非弹性散射(例如电子和声子散射)的弛豫时间，那么当温度下降，体系中声子数越来越少，τφ越来越长时，介观尺度就变得很大了.对于普通金属，如果τφ取为10-9s，因为vF≈108 cm/s，介观尺度可以达到0.1cm左右，显然这个尺寸过大了. 实际上，在液体氦的温度下，如果普通金属的剩余电阻率ρ≈1 μΩcm，则弹性散射的弛豫时间τ0≈10-13s，电子在两次非弹性散射之间会经受上万次弹性散射，走无规行走的路径，以扩散的方式运动，Lφ是相继两次非弹性散射间电子扩散运动的距离.由于扩散系数D=(vFl)／3，其中l为弹性散射的平均自由程，在τφ时间内的扩散距离为(Dτφ)1／2，约10μm，远小于上述的“平均自由程”长度.这一简单的对扩散距离的估算，给出了介观体系大小正确的数量级.