二維無序系統(tǒng)無序度和本征能量對局域化長度的影響

馮立峰，姚成寶，張 強

（哈爾濱師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，

低維體系與介觀物理省重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150025）

二維無序系統(tǒng)無序度和本征能量對局域化長度的影響

馮立峰，姚成寶，張 強

（哈爾濱師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，

低維體系與介觀物理省重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150025）

利用蒙特卡洛模擬方法，研究了無序度和本征能量對局域化長度的影響.研究結(jié)果表明：隨著無序度的增大，系統(tǒng)的電子態(tài)出現(xiàn)局域化現(xiàn)象，局域化長度逐漸減小，而且對應(yīng)于不同的能量本征值；電子的局域化程度不同，能帶中心出現(xiàn)準擴展態(tài)，系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)類金屬行為.

無序系統(tǒng)；Anderson模型；局域化；蒙特卡洛模擬

晶體結(jié)構(gòu)中電子的波函數(shù)是布洛赫函數(shù).當(dāng)晶體系統(tǒng)的有序結(jié)構(gòu)被破壞時，系統(tǒng)的電子態(tài)會發(fā)生很大的變化.Anderson指出由于系統(tǒng)無序?qū)е码娮泳钟蚧?－5］.在對無序系統(tǒng)電子態(tài)的研究中，Anderson只考慮了短程跳躍中的最近鄰跳躍，構(gòu)造了著名的Anderson模型.Anderson模型是一個簡單的緊束縛模型，無序性是指在每一個格點的能量不同.無序性是隨機的，在一固定的組態(tài)下，哈密頓量可寫為

式中：εi為電子格點i的能量，滿足某種概率分布p（εi）；Vij為電子從j點躍到i點的跳躍能.理想的哈密頓量與實驗體系的哈密頓量就有很大的差別，同時又由于無序性的引入使簡單的哈密頓量也很難得到嚴格的解.

可見無序系統(tǒng)處理起來相當(dāng)復(fù)雜，很多學(xué)者在研究無序時總是采用單電子近似下的一維無序Anderson模型［2－3］.不過一維模型畢竟是一個過于簡化的模型，其局限性非常明顯.本文從單電子近似下無序Anderson模型出發(fā)，借助蒙特卡洛模擬研究方法，模擬了二維無序系統(tǒng)中局域長度隨系統(tǒng)的本征能量和無序度的變化關(guān)系.

1 無序度W對局域化長度L的影響

無序度W對局域化長度L的影響非常明顯.在系統(tǒng)中，局域化長度反映電子的局域化程度，同時也是考察系統(tǒng)導(dǎo)電性能的重要指標，所以無序度W影響著系統(tǒng)的金屬或絕緣行為［6－14］.

對于二維無序系統(tǒng)，可以看成帶狀結(jié)構(gòu).從運算精度考慮，當(dāng)帶長N取200 000時就已經(jīng)構(gòu)成了一個非常理想的無序系統(tǒng)，這時已能顯示無序系統(tǒng)電子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性.

我們選取本征能量E＝0，帶寬M＝10，帶長N＝200 000，得到局域化長度L隨無序度W的變化規(guī)律曲線，如圖1a.

圖1 L隨W的變化規(guī)律曲線

當(dāng)W＜5時，L值迅速減?。划?dāng)W＞5時，L值減小得非常緩慢.總體來說，隨著W的增大，L值逐漸減小，即隨著無序度的增大系統(tǒng)的電子態(tài)出現(xiàn)局域化現(xiàn)象.這符合電子輸運理論，隨著系統(tǒng)無序度的增加，晶格中電子的擴散運動受阻，因此系統(tǒng)的局域化程度被加強.

當(dāng)選取E＝10，M＝10，N＝200 000時，得到的模擬結(jié)果見圖1b.對比圖1a和b可以看出，改變本征能量E值，發(fā)現(xiàn)模擬得到的曲線中，局域化長度存在極值，極值點處于W＝20.

分析圖1b中出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因，可能的解釋是本征能量E和無序度W的雙重影響，使得系統(tǒng)內(nèi)的格點勢發(fā)生了改變，無序系統(tǒng)中電子的輸運性質(zhì)以及局域化程度發(fā)生了改變，電子的局域輸運性質(zhì)出現(xiàn)了不同尋常的行為［2］.

2 本征能量E對局域化長度L的影響

從圖1看出，M和N值不變而改變E值，得到的L隨W變化的模擬結(jié)果不同，可見本征能量E對局域長度L一定存在某種影響.

選取W＝5，N＝200 000，M＝20和M＝10，E值的區(qū)間為［－15，15］見圖2a.從圖2a中看出，能量本征值不同，局域化程度亦不同.能帶中心區(qū)域局域化長度比遠離能帶中心處的局域長度大幾十直至上百倍，甚至超過了帶寬，即能帶中心部分出現(xiàn)了準擴展態(tài)，系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)類金屬行為.還可以看出，能帶中心E＝0附近出現(xiàn)了雙峰現(xiàn)象.不知這種現(xiàn)象是否與二維系統(tǒng)有關(guān)系，目前還不清楚，我們正在尋求合理的理論解釋.

圖2 L隨E的變化規(guī)律曲線

為了進一步觀察雙峰現(xiàn)象，我們選取一個有序系統(tǒng)，令W＝0，M＝10，N＝200 000，得到圖2b.

從圖2b仍可觀察到能帶中心附近出現(xiàn)了雙峰現(xiàn)象，并且峰值所代表的L值完全可以和系統(tǒng)尺寸比擬，甚至遠遠大于系統(tǒng)尺寸，此即表示有序系統(tǒng)中存在擴展態(tài)，系統(tǒng)表現(xiàn)為金屬行為.

3 結(jié)論

無序系統(tǒng)的電子理論較之有序系統(tǒng)要復(fù)雜得多，研究起來往往需要使用更多的數(shù)學(xué)工具.本文采用蒙特卡洛方法模擬了二維無序系統(tǒng)局域長度與系統(tǒng)無序度和本征能量的關(guān)系.研究結(jié)果顯示：隨著增大系統(tǒng)的無序度，系統(tǒng)的電子態(tài)出現(xiàn)局域化現(xiàn)象.能量本征值不同，電子被局域化的程度將有很大的不同，能帶的中心區(qū)域，局域化程度較弱，然而當(dāng)能量本征值越大時，局域化程度越高.在能帶中心部分的局域化長度比遠離能帶中心處的局域化長度大幾十甚至上百倍，即能帶中心出現(xiàn)了準擴展態(tài)，系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)類金屬行為.

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Influence of the disorder and the eigenenergy on localization length in the two-dimensional disordered system

FENG Li-feng，YAO Cheng-bao，ZHANG Qiang
（School of Physics and Electronic Engineering，Harbin Normal University，Heilongjiang Key Laboratory for Low Dimensional System and Mesoscopic Physics，Harbin 150025，China）

By using Monte Carlo simulation method，the influence of the localization length is studied as a function of the disorder and eigenenergy in disordered system.The results derive that electronic states of system exhibited localization phenomena with the increase of degree of disorder and the localization length can be reduced gradually.Moreover the degree of electronic localization is different for different energy eigenvalue，the quasi extended state appears at the center part of energy band and quasi-metal behavior emerges in the disordered system.

disordered system；Anderson model；localization；Monte Carlo simulation

O 469

140·50

A

1000-1832（2011）03-0073-03

2011-01-27

黑龍江省自然科學(xué)基金資助項目（A200807）；黑龍江省教育廳科研項目（11541108）.

馮立峰（1973—），男，碩士，講師，主要從事低維體系電輸運性質(zhì)的理論研究.

石紹慶）