Понятия экситона, поляритона, плазмона

Экситон (от лат. excito — возбуждаю) – это квазичастица, представляющая собой электрическое возбуждение в диэлектрике либо полупроводнике, мигрирующее по кристаллу и не связанное с переносом электронного заряда и массы.

Согласно теории строения твердого тела, если валентные электроны атома получат излишек энергии (к примеру, при облучении вещества светом), они могут «перепрыгнуть» через нелегальную зону и оказаться в зоне проводимости, став свободными, но оставив за собой в валентной зоне свободное место — дырку — с положительным простым зарядом. Зависимо от величины нелегальной зоны твердые тела делят на полупроводники и диэлектрики. Нередко появляется ситуация, когда электрон впитал квант света, но его энергии оказалось недостаточно, чтоб перейти в зону проводимости.

Если в веществе есть маленькое количество атомов примеси, они обеспечивают дополнительные уровни энергии в нелегальной зоне, за которые электрон может зацепиться и остаться в нелегальной зоне, взаимодействуя с дыркой средством электростатических сил. Такое связанное состояние «электрон-дырка» именуется экситоном. У электрона есть возможность испустить квант света и возвратиться на свое начальное положение в валентной зоне (экситонный переход). При всем этом примыкающий атом может поглотить выделяющийся квант энергии, в итоге чего возникнет новенькая экситонная пара, которая потом тоже пропадет, а электрическое возбуждение будет передаваться далее от атома к атому, мигрируя по кристаллу. Аналогично электрон может дополнительно поглотить энергию и все-же, стать свободным, допрыгнув до зоны проводимости и обеспечив вклад в плотность свободных носителей заряда данного материала.

Таким макаром, экситон в жестком теле можно считать простой квазичастицей в тех случаях, когда он выступает как целое образование, не подвергаясь воздействиям, способным его повредить. Энергия связи дырки и электрона определяет радиус экситона, который является характеристической величиной для каждого вещества. К примеру, для сульфида и селенида свинца данная величина составляет 2 и 4,6 нм соответственно, в то время как, для сопоставления, у сульфида кадмия — не превосходит 0,6 нм.

С образованием и ликвидированием экситонов связывают особенности оптических спектров наноструктур, в каких резкие линейчатые составляющие, несвойственные для макроскопических тел, наблюдаются прямо до комнатных температур. Установлено, что величина энергии связи экситона находится в зависимости от размера микрочастицы, если размер частички сравним либо меньше радиуса экситона. Потому, получая монодисперсные коллоидные смеси микрочастиц разных размеров, можно управлять энергиями экситонных переходов в широком спектре оптического диапазона.

Экситон может распадаться при столкновении с недостатками решётки. При содействии экситона с фотонами появляются новые квазичастицы — смешанные экситон-фотонные состояния, именуемые поляритонами. Характеристики поляритонов (к примеру, их закон дисперсии) значительно отличаются от параметров как экситонов, так и фотонов. Поляритоны играют существенную роль в процессах переноса энергии электрического возбуждения в кристалле, они обусловливают особенности оптических спектров полупроводников в области экситонных полос и др.

При малых концентрациях экситоны ведут себя в кристалле подобно газу квазичастиц. При огромных концентрациях становится значимым их взаимодействие. Может быть образование связанного состояния 2-ух экситонов — экситонной молекулы (биэкситона). Но, в отличие от молекулы водорода, энергия диссоциации биэкситона существенно меньше, чем его энергия связи.

При повышении концентрации экситонов расстояние меж ними может стать порядка их радиуса, что приводит к разрушению экситонов. Это может сопровождаться появлением «капель» электронно-дырочной плазмы. Образование электронно-дырочных капель в таких полупроводниках, как Ge и Si, сказывается в возникновении новейшей широкой полосы люминесценции, сдвинутой в сторону уменьшения энергии фотона. Электронно-дырочные капли владеют рядом увлекательных параметров: высочайшей плотностью электронов и дырок при малой концентрации большой подвижностью в неоднородных полях и т.п.

При малых концентрациях экситонов, состоящий из 2-ух фермионов (электрона проводимости и дырки), можно рассматривать как бозон. Это значит, что вероятна бозе-конденсация экситонов (скопление огромного числа экситонов на наинизшем энергетическом уровне). Бозе-конденсация экситонов может привести к существованию в кристалле незатухающих потоков энергии. Но, в отличие от сверхтекучего водянистого гелия либо сверхпроводника, сверхтекучий поток экситонов может существовать не сколь угодно длительно, а только в течение времени жизни экситонов.

Плазмон — квазичастица, отвечающая квантованию плазменных колебаний, которые представляют собой коллективные колебания свободного электрического газа. Волшебный сияние металлов обоснован отражением света от поверхностных плазмонов — квазичастиц, возникающих за счёт квантования коллективных колебаний свободных электронов в металле. Микрочастицы золота (резонаторы) имеют частоту плазмонного резонанса, сравнимую с пиком оптической плотности многих металлопротеинов. Происходит взаимодействие колебаний плазмонов и колебательных процессов в белках, что обуславливает насыщенное поглощение квантов света определенной частоты, определяемой резонансными размерами металлических частиц, контактирующих с макромолекулами белков.

Плазмоны играет огромную роль в оптических свойствах металлов. Свет с частотой ниже плазменной частоты отражается, так как электроны в металле экранируют электронное поле в световой электрической волне. Свет с частотой выше плазменной частоты проходит, так как электроны не могут довольно стремительно ответить, чтоб экранировать его. В большинстве металлов плазменная частота находится в ультрафиолетовой области диапазона, делая их блестящими в видимом спектре (свет отражается). В легированных полупроводниках плазменная частота находится обычно в ультрафиолетовой области.

Энергию плазмона можно оценить в модели практически свободных электронов как:

, (1.16)

где n — плотность валентных электронов, e — простой заряд, m — масса электрона и — диэлектрическая проницаемость вакуума. Длина волны плазмона, которую можно оценить, используя следующие соотношения:

, , . (1.17)

Из приведенных соотношений следует, что длина волны может составлять несколько нанометров. Потому плазмоны рассматриваются как средство передачи инфы в компьютерных чипах, потому что провода для плазмонов могут быть намного тоньше, чем обыденные провода, и могут поддерживать намного более высочайшие частоты (в режиме 100 TГц, в то время как обыденные провода владеют большими потерями уже при 10 ГГц).

Поверхностные плазмоны очень ведут взаимодействие со светом, приводя к образованию поляритонов. Они играют роль в поверхностном усилении рамановского рассеяния света (плазмонный резонанс) и в разъяснении аномалий в дифракции металлов. В частичках металла, выполняющих роль резонаторов, происходит скопление плазмонов. Это позволяет создавать на их базе чувствительные элементы для получения первичной измерительной инфы. Поверхностный плазмонный резонанс употребляется в биохимии, чтоб определять присутствие молекул на поверхности.

Поляритоны были также предложены как средство для литографии и микроскопии высочайшего разрешения из-за их очень малеханьких длин волны. Оба из этих применений с фурором были продемонстрированы в лабораториях.