半個多世紀前，P. W. Anderson提出無序能引起電子和自旋的局域化。Anderson局域化對物理學領域的若干概念和現象有著廣泛而深刻的影響，如量子霍爾效應、量子臨界點、隨機矩陣理論、無序金屬中電子相互作用等。盡管最初針對電子提出，Anderson局域化本質上是一種波的局域現象，并首先在光子、聲子、冷原子、機械波、物質波以及低維電子等系統中實現。對于三維電子體系，早期大量工作集中在重摻雜半導體中的金屬-絕緣體（MIT）轉變，但其MIT轉變主要與雜質的分立能級向能帶轉變相關，即出現簡并半導體，并不是研究Anderson局域化的理想體系。近來，德國M. Wuttig小組首次在GeSb2Te4多晶中發現僅由無序導致的MIT轉變，其電子的局域化源于Ge/Sb子晶格中空位的無序分布。但由于其晶粒尺寸較小（10~20 nm），不便于深入研究晶格無序對于電子局域化的影響。為研究無序對電子體系的影響，在三維單晶中實現電子體系的Anderson局域化，是一個重要的研究課題。

　　最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）先進材料與結構分析實驗室A02組博士生應天平、T03組博士生顧躍強（導師戴希研究員），研究員陳小龍、副研究員金士鋒，西安交通大學研究員張偉等，通過對金屬母相Fe7Se8進行電子摻雜，并同時誘導系統中鐵的無序占位，成功獲得了厘米級單晶形態的LixFe7Se8，并觀察到了電子的Anderson局域化現象。首先，Li摻入后粉晶衍射數據上母體的超結構峰消失，結構恢復到簡單NiAs結構，表明Li摻雜進入Fe位并破壞了Fe原子的有序排列（圖1a），該現象進一步被x射線單晶衍射、TEM及磁性測量證實。其次，隨著無序度的增加，LixFe7Se8體系發生MIT轉變，并在低溫電輸運上表現出三維變程躍遷，表明費米面上存在局域態電子（圖1b）。需要指出電阻率曲線直至2K均未見由T-1/4到T-1/2的變化，即未觀察到 Efros-Shklovskii能隙打開。再次，Anderson絕緣體與其它絕緣體最顯著的區別在于費米面處存在大量局域化的電子，比熱和紅外光譜數據證實LixFe7Se8絕緣樣品存在很大的態密度（圖 1c、d）。最后，定量分析載流子濃度、遷移率及初步的態密度計算均支持LixFe7Se8為Anderson絕緣體，并且在MIT轉變點附近，其載流子濃度和局域化長度的關系明顯偏離Mott判據。

　　以上現象可以通過DOS隨不同無序程度的演化示意圖解釋（圖2）。Fe7Se8中摻入Li具有兩個作用：電子摻雜及引入Fe/Li/空位占位無序。電子摻雜將略微抬高費米面；無序則在帶尾產生局域態，并形成遷移率邊。當遷移率邊越過費米面時，隨即發生MIT轉變。圖3給出了更為普適的載流子濃度與無序程度相圖，有助于人們發現更多的Anderson絕緣體。該圖說明，適中的載流子濃度以及較高的無序程度容易誘導出Anderson絕緣體。這是首次在大塊單晶中實現電子體系Anderson局域化的報道，該成果為研究無序及MIT轉變研究提供了一個新的研究平臺，對該體系的研究將加深人們對無序材料中電子行為的認識。

　　相關研究結果發表在近期的Science Advances上【Anderson localization of electrons in single crystals: LixFe7Se8. Sci. Adv. 2, e1501283 (2016)】。

　　上述研究工作獲得了國家自然科學基金委（51532010，51472266，91422303，51202286)、科技部和中科院先導B項目（XDB07020100）以及ICDD的資助。

　　文章鏈接

    圖1. (a) Li的引入對Fe7Se8超結構峰的抑制。(b) 電阻率隨溫度變化曲線，其低溫電輸運行為符合3D變程躍遷（variable range hopping）機制。(c) 索末菲系數γ隨不同Li摻雜量的變化。(d) Li0.89Fe7Se8的光電導譜實部。

    圖2. 態密度隨無序程度的變化關系示意圖。左圖為未摻雜金屬相，中間為MIT發生的臨界點，右圖為Anderson絕緣體。

圖3. 載流子濃度與無序程度的相圖，橫縱坐標分別為無序程度和載流子濃度。