Экситон

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Экситон
Exciton.png

Экситон в кристаллической решетке
Состав: квазичастица
Классификация: экситон Ванье — Мотта, экситон Френкеля
Семья: бозон
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, а экспериментально спектр экситона впервые наблюдался в 1952 году советским физиком Е. Ф. Гроссом[2]. 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[3].

Полупроводниковые приборы на основе экситонных переходов[править | править код]

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[4][5].

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[6].

Созданы и другие приборы, в которых роль среды, осуществляющей обработку информации, вместо электронного газа играет экситонный газ: оптические модуляторы, фазовращатели, переключатели, оптический транзистор (англ.)[7][8] и лазеры[9].

Экситоника[править | править код]

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

Примечания[править | править код]

  1. Физики впервые обнаружили экситоны в металле
  2. Силин, 1999.
  3. Киттель Ч. Введение в физику твёрдого тела. — М.: Наука, 1978. — С. 639. — 791 с.
  4. Белявский В. И. Экситоны в низкоразмерных системах // Соросовский образовательный журнал. — 1997. — № 5. — С. 93—99.
  5. 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.
  6. Днепровский В. С. Экситоны перестают быть экзотическими квазичастицами // Соросовский образовательный журнал. — 2000. — Т. 6, № 8. — С. 88—92.
  7. Andreakou P. et. al. (2014). «Optically controlled excitonic transistor». Applied Physics Letters 104 (9): 091101. DOI:10.1063/1.4866855.
  8. Kuznetsova Y. Y. et. al. (2010). «All-optical excitonic transistor». Optics Letters 35 (10): 1587–9. DOI:10.1364/OL.35.001587. PMID 20479817.
  9. Лозовик Ю. Е. Управление бозе-конденсатом экситонов и фононный лазер // УФН. — 2001. — Т. 171, № 12. — С. 1373—1376. — ISSN 0042-1294. — DOI:10.3367/UFNr.0171.200112i.1373.

Литература[править | править код]

  • 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 (1931). «On the transformation of light into heat in solids. I». Physical Review 37 (1): 17-44.
  • J. Frenkel (1931). «On the transformation of light into heat in solids. II». Physical Review 37 (10): 1276-1294.

См. также[править | править код]