Экситон

Перейти к навигацииПерейти к поиску
Экситон
Экситон в кристаллической решетке
Составквазичастица
Классификацияэкситон Ванье — Мотта, экситон Френкеля
Семьябозон
Каналы распада

Эксито́н (лат. excito — «возбуждаю») — квазичастица, представляющая собой электронное возбуждение в диэлектрике, полупроводнике или металле[1], мигрирующее по кристаллу и не связанное с переносом электрического заряда и массы. Понятие об экситоне и сам термин введены советским физиком Я. И. Френкелем в 1931 году, им же разработана теория экситонов[2][3][4], а экспериментально спектр экситона впервые наблюдался в 1951 году[5] (или в 1952 году[6]) советскими физиками Е. Ф. Гроссом и Н. А. Каррыевым[7]. Представляет собой связанное состояние электрона и дырки. При этом его следует считать самостоятельной элементарной (не сводимой) частицей в случаях, когда энергия взаимодействия электрона и дырки имеет тот же порядок, что и энергия их движения, а энергия взаимодействия между двумя экситонами мала по сравнению с энергией каждого из них. Экситон можно считать элементарной квазичастицей в тех явлениях, в которых он выступает как целое образование, не подвергающееся воздействиям, способным его разрушить.

Экситон может быть представлен в виде связанного состояния электрона проводимости и дырки, расположенных или в одном узле кристаллической решётки (экситон Френкеля, a* < a0, a* — радиус экситона, a0 — период решётки), или на расстояниях, значительно больше междуатомных (экситон Ванье — Мотта, a* ≫ a0). В полупроводниках, за счёт высокой диэлектрической проницаемости, существуют только экситоны Ванье — Мотта. Экситоны Френкеля применимы, прежде всего, к молекулярным кристаллам[8].

Полупроводниковые приборы на основе экситонных переходов

В объёмных полупроводниках экситонные состояния проявляются только при глубоком охлаждении образцов, что препятствует их использованию. В тонкоплёночных полупроводниковых структурах, напротив, экситонные состояния хорошо выражены при комнатной температуре. Заданным образом изменяя размеры наноструктур, можно изменять энергию связи и другие параметры экситонов и, таким образом, осуществлять управление экситонами в низкоразмерных структурах и создавать приборы на основе физических процессов с участием экситонов[9][10].

Так, разработан прибор, совмещающий функции электрооптического переключателя и детектора излучения на экситонном переходе. Принцип его работы заключается в том, что спектр поглощения экситонов в тонких слоях арсенида галлия при поперечном электрическом поле сдвигается в красную область в силу эффекта Штарка в системе с квантовыми ограничениями. За счёт изменения поглощения внешнее напряжение может модулировать интенсивность проходящего через полупроводник света на частоте экситонного перехода.

Детектирование излучения происходит за счёт распада на электроны и дырки экситонов, образовавшихся при резонансном возбуждении за счёт излучения[11].

Созданы и другие приборы, в которых роль среды, осуществляющей обработку информации, вместо электронного газа играет экситонный газ: оптические модуляторы, фазовращатели, переключатели, оптический транзистор[англ.][12][13] и лазеры[14].

Экситоника

Область науки и техники, которая изучает технические устройства на основе использования свойств экситонов, называют экситоникой.

Примечания

  1. ↑ Физики впервые обнаружили экситоны в металле. Дата обращения: 2 июня 2014. Архивировано 2 июня 2014 года.
  2. ↑ Френкель I, 1931.
  3. ↑ Френкель II, 1931.
  4. ↑ Френкель Я. И. О поглощении света и прилипании электронов и положительных дырок в кристаллических диэлектриках // Журнал экспериментальной и теоретической физики. — 1936. — Т. 6. — С. 647.
  5. ↑ Алфёров Ж. И. Двойные гетероструктуры: концепция и применения в физике, электронике и технологии (Нобелевская лекция. Стокгольм, 8 декабря 2000 г.) // Успехи физических наук. — Российская академия наук, 2002. — Т. 172, № 9. — С. 1072. Архивировано 11 мая 2019 года.
  6. ↑ Силин, 1999.
  7. ↑ Гросс Е. Ф., Каррыев Н. А. Поглощение света кристаллом закиси меди в инфракрасной и видимой части спектра // Доклады Академии наук СССР. — 1952. — Т. 84, № 2. — С. 261—264.
    Гросс Е. Ф., Каррыев Н. А. Оптический спектр экситона // Доклады Академии наук СССР. — 1952. — Т. 84, № 3. — С. 471—474.
  8. ↑ Киттель Ч. Введение в физику твёрдого тела. — М.: Наука, 1978. — С. 639. — 791 с.
  9. ↑ Белявский В. И.. Экситоны в низкоразмерных системах // Соросовский образовательный журнал. — 1997. — № 5. — С. 93—99. Архивировано 29 апреля 2014 года.
  10. ↑ Днепровский В. С., Жуков Е. А., Муляров Е. А., Тиходеев С. Г.. Линейное и нелинейное поглощение экситонов в полупроводниковых квантовых нитях, кристаллизованных в диэлектрической матрице // ЖЭТФ. — 1998. — Т. 113, № 2(8). — С. 700—710. — ISSN 0044-4510.
  11. ↑ Днепровский В. С.. Экситоны перестают быть экзотическими квазичастицами // Соросовский образовательный журнал. — 2000. — Т. 6, № 8. — С. 88—92. Архивировано 4 марта 2016 года.
  12. ↑ Andreakou P. et. al. Optically controlled excitonic transistor (англ.) // Applied Physics Letters : journal. — 2014. — Vol. 104, no. 9. — P. 091101. — doi:10.1063/1.4866855.
  13. ↑ Kuznetsova Y. Y. et. al. All-optical excitonic transistor (англ.) // Optics Letters : journal. — 2010. — Vol. 35, no. 10. — P. 1587—1589. — doi:10.1364/OL.35.001587. — PMID 20479817.
  14. ↑ Лозовик Ю. Е.. Управление бозе-конденсатом экситонов и фононный лазер // Успехи физических наук. — Российская академия наук, 2001. — Т. 171, № 12. — С. 1373—1376. — ISSN 0042-1294. — doi:10.3367/UFNr.0171.200112i.1373. Архивировано 31 марта 2013 года.

Литература

  • Силин А. П. Экситон // Физическая энциклопедия : [в 5 т.] / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Большая российская энциклопедия, 1999. — Т. 5: Стробоскопические приборы — Яркость. — С. 501−504. — 692 с. — 20 000 экз. — ISBN 5-85270-101-7.
  • Брандт Н. Б., Кульбачинский В. А. — Квазичастицы в физике конденсированного состояния. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005
  • Агранович В. М., Гинзбург В. Л. Кристаллооптика с учётом пространственной дисперсии и теория экситонов, М., 1965
  • Нокс Р. Теория экситонов, М., Мир, 1966
  • Воронов В. К., Подоплелов А. В. Современная физика, М., КомКнига, 2005, ISBN 5-484-00058-0
  • J. Frenkel. On the transformation of light into heat in solids. I (англ.) // Physical Review : journal. — 1931. — Vol. 37, no. 1. — P. 17—44.
  • J. Frenkel. On the transformation of light into heat in solids. II (англ.) // Physical Review : journal. — 1931. — Vol. 37, no. 10. — P. 1276—1294.

См. также