3.1.4 Некристаллические твердые тела

В некристаллических или неупорядоченных твердых телах типа кварцевых или металлических стекол атомы не располагаются в периодическом порядке; эти твердые тела можно рассматривать как переохлажденные жидкости. Например, рис. 3.6 показывает возможное расположение атомов кремния и кислорода в кварцевых стеклах.

Указаны три возможных вида дефектов

В такой неупорядоченной структуре многие атомы имеют более, чем одно возможное положение, и эти положения могут очень мало отличаться по энергии. Даже при низких температурах атомы могут «туннелировать» из одного положения в другое. Мы снова имеем новую «степень свободы» для материала: возможность проведения структурных перестроек. В результате мы наблюдаем дополнительный вклад в теплоемкость, вызываемый туннельными переходами или структурными релаксациями в неупорядоченных материалах или стеклах. При низких температурах этот дополнительный вклад выражается как

с показателем n , очень близким к 1. (Кроме того, часто наблюдается увеличение вклада в теплоемкость члена с Т3). Для кварцевых стекол это иллюстрируется на рис. 3.7.

Теплоёмкости трёх типов SiO2, содержащих различные концентрации OH- (а также ионов металлов, хлора и фтора)

Неупорядоченные изоляторы, следовательно, дают почти линейный вклад в теплоемкость от туннельных переходов между разными положениями атомов и кубический вклад от колебаний атомов. То же наблюдалось и для металлического стекла, но здесь мы имеем два вклада в линейную часть теплоемкости — один от туннельных переходов, другой от электронов проводимости. Очень примечательно, что вклады в теплоемкость за счет некристалличности очень близки даже для весьма различающихся материалов, показывал, что дополнительные возбуждения в неупорядоченном материале связаны с беспорядком и от типа металла сильно не зависят. Поскольку вклад в теплоемкость за счет неупорядоченности с понижением температуры уменьшается линейно вместо закона Т3, характерного для колебаний решетки, то теплоемкость диэлектриков в состоянии стекла при низких температурах много выше, чем в их кристаллическом состоянии (рис. 3.7). Часто ниже 1 К стекла имеют теплоемкость даже более высокую, чем металл. Действительно, при 10 мК теплоемкость диэлектрического стекла может быть в 103 раз выше, чем теплоемкость соответствующего кристалла, что оказывается очень важным при создании низкотемпературных приборов, содержащих некристаллические составные элементы.