Экситон

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 Каррыевым Н.А., Е. Ф. Гроссом, результаты этого исследования опубликованы в 1952 году[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].

Общие сведения
Экситон
Состав квазичастица
Классификация экситон Ванье — Мотта, экситон Френкеля
Семья бозон
Каналы распада

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[12][13] и лазеры[14].

Экситоника

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

Примечания

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

Категории

Exciton.png