Экситон
-
Фазы и фазовые переходы
- Фазы: твердый, жидкость, газ, плазма, конденсат Бозе-Эйнштейна, бозе-газ, фермионный конденсат, ферми-газ, ферми-жидкость, сверхтвердый, сверхтекучесть, жидкость Латтингера, временный кристалл
- Фазовые переходы: QCP (контроль качества), структура электронного диапазона, плазма, изолятор, изолятор Мотта, полупроводник, полуметалл, проводник, сверхпроводник, термоэлектрический, пьезоэлектрический, сегнетоэлектрик, топологический изолятор, полупроводник без спиновых щелей, квантовый эффект Холла, вращающийся эффект Холла, эффект Кондо, диамагнетик, супердиамагнетик, парамагнетик, суперпарамагнетик, ферромагнетик, антиферромагнетик-метамагнетик, вращающееся стекло, фонон, экситон, плазмон, поляритон, полярон, магнон, ротон, аморфное твердое вещество, коллоидный, гранулированный материал, жидкий кристалл, полимер
-
Экситоны
- Экситоны — электрически нейтральные квазичастицы, состоящие из электрона и дырки, связанные кулоновской силой
- Образуются при перемещении электрона из валентной зоны в зону проводимости
- Экситоны Френкеля: малые, порядка размера элементарной ячейки, энергия связи 0,1-1 эВ, встречаются в изоляторах и органических полупроводниках
- Экситоны Ванье-Мотта: большие, радиус больше расстояния между решетками, энергия связи 0,01 эВ, встречаются в полупроводниках и жидкостях
-
История и типы
- Концепция экситонов предложена Яковом Френкелем в 1931 году
- Экситоны Френкеля: малые, энергия связи 0,1-1 эВ, встречаются в галогенидах щелочей и органических молекулярных кристаллах
- Экситоны Ванье-Мотта: большие, энергия связи 0,01 эВ, встречаются в полупроводниках и жидкостях
- В одностенных углеродных нанотрубках экситоны имеют характер как Ванье-Мотта, так и Френкеля
-
Трехмерные и двумерные полупроводники
- В объемном полупроводнике экситон Ванье имеет энергию Ридберга и радиус Бора
- В двумерных (2D) материалах система квантово ограничена, что влияет на энергии связи и радиусы экситонов
- В большинстве двумерных полупроводников форма Рытова-Келдыша является более точным приближением к экситонному взаимодействию
-
Основные понятия экситонов
- Экситоны — это возбужденные состояния электронной подсистемы чистых кристаллов.
- Они состоят из электрона и дырки, связанных кулоновским взаимодействием.
- Экситоны могут быть связаны с примесями и дефектами, что увеличивает их мощность генератора.
-
Типы экситонов
- Экситоны Френкеля и Ванье-Мотта имеют разные радиусы и энергии.
- Экситоны Хаббарда связаны магнитной силой и впервые обнаружены в 2023 году.
- Экситоны с переносом заряда (CT) образуются в органических и молекулярных кристаллах.
-
Поверхностные и темные экситоны
- Поверхностные экситоны могут перемещаться только вдоль поверхности.
- Темные экситоны имеют импульс, отличный от импульса дырок, и требуют рассеяния фононов для достижения состояния.
-
Атомные и молекулярные экситоны
- Экситоны могут быть возбужденными состояниями атомов, ионов или молекул.
- Молекулярные экситоны имеют характерное время жизни порядка наносекунд и могут переносить энергию.
-
Самозахват экситонов
- Экситоны взаимодействуют с фононами, что может приводить к их самозахвату.
- Самозахваченные экситоны имеют небольшой радиус и сосуществуют со свободными экситонами.
-
Взаимодействие экситонов
- Экситоны являются основным механизмом излучения света при низких температурах.
- Они могут взаимодействовать с фотонами, образуя поляритоны, и связываться с другими экситонами, образуя биэкситоны.
- В некоторых системах экситоны могут образовывать электронно-дырочную жидкость и экситоний.
-
Обнаружение конденсации экситонов в 1T-TiSe2
- Обнаружены убедительные доказательства конденсации экситонов в трехмерном полуметалле 1T-TiSe2.
-
Пространственно прямые и непрямые экситоны
- Экситоны в полупроводнике имеют короткий срок службы из-за близости электрона и дырки.
- Помещая электрон и дырку в пространственно разделенные квантовые ямы, можно создать пространственно непрямые экситоны.
- Пространственно непрямые экситоны имеют большее пространственное расстояние между электроном и дыркой, что увеличивает их время жизни.
-
Использование пространственно непрямых экситонов
- Пространственно непрямые экситоны используются для охлаждения экситонов до низких температур.
- Это позволяет изучать конденсацию Бозе–Эйнштейна и ее двумерный аналог.