html текст
All interests
  • All interests
  • Design
  • Food
  • Gadgets
  • Humor
  • News
  • Photo
  • Travel
  • Video
Click to see the next recommended page
Like it
Don't like
Add to Favorites

Физики открыли в полупроводниках новые квазичастицы и назвали их коллексонами


C. Nenstiel et al. / Comm. Phys.

Немецкие физики обнаружили с помощью фотолюминесцентной спектроскопии новый тип квазичастиц, которые возникают в полупроводниках с повышенной степенью вырождения электронного газа. Эти частицы представляют собой систему электрон-дырка, связанную рассеянием на электронах основного состояния, и называются коллексонами. Статья опубликована в Communications Physics.

В одном кубическом сантиметре металла содержится порядка 1023 электронов, которые взаимодействуют друг с другом и с атомами кристаллической решетки. Описать движение электронов в такой системе очень сложно — конечно, можно выписать известные законы движения для каждой из частиц (уравнение Шрёдингера), а потом решить получившуюся огромную систему уравнений, однако на практике с этим не справится даже самый мощный суперкомпьютер. Вместо этого физики поступают гораздо проще. Несмотря на то, что движение частиц выглядит очень сложным, в действительности большинство из них ведут себя практически одинаково — например, при нулевой температуре газ бозонов «сваливается» в самое низкое энергетическое состояние. При повышении температуры некоторые бозоны начинают время от времени «выскакивать» из этого состояния, и на фоне в целом спокойной системы бегут волны возбуждений. Оказывается, что такие возбуждения ведут себя в точности как обычные частицы — они описываются теми же эффективными уравнениями, хотя могут иметь другую массу, заряд и энергетический спектр. Впервые концепцию квазичастиц придумал в начале 50-х годов советский физик-теоретик Лев Ландау, и с тех пор ученые активно используют этот подход. Более подробно про них можно прочитать в материале «Квантовая азбука: „Зоопарк квазичастиц“», в котором физик Алексей Кавокин рассказывает про квазичастицы на примерах с котами.

В частности, перенос электрического заряда в металлах описывается с помощью квазичастиц-электронов и квазичастиц-дырок, которые возникают на фоне газа обычных электронов-частиц (моря Ферми). Когда в какой-то области металла электрон «перескакивает» на более высокий энергетический уровень, в нем возникает возбуждение — электрон-квазичастица, который свободно перемещается по металлу, — а оставшееся после него «пустое» место приобретает положительный заряд и массу и называется дыркой. При определенных условиях электроны и дырки могут образовать связанную систему, которая напоминает атом водорода и называется экситоном. Поскольку экситоны являются бозонами, они могут образовать бозе-конденсат и перейти в сверхтекучее состояние даже при достаточно высокой температуре порядка 200 кельвинов. Тем не менее, в полупроводниках такие квазичастицы быстро распадаются из-за высокой степени вырождения электронного газа, которая приводит к экранированию зарядов и уменьшению энергии связи экситонов.

Группа ученых под руководством Фридхельма Бехштедта (Friedhelm Bechstedt) обнаружила, что при еще большей степени вырождения электронного газа в полупроводниках возникают другие квазичастицы, которые напоминают по своей экситоны и подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна. Физики назвали эту частицу коллексоном (collexon). В основе коллексона также лежит система электрон-дырка, однако важную роль при образовании квазичастицы играют электроны моря Ферми, которые рассеиваются на ней и стабилизируют систему, которая в обычных условиях моментально бы распалась. Можно сказать, что коллексон — это что-то среднее между экситоном и поляроном, окруженным облаком фононов (упругих деформаций кристаллической решетки). Впрочем, коллексоны защищены от взаимодействия с фононами благодаря сильному экранированию зарядов.

Схема образования коллексона (слева) и биколлексона (справа), а также их распада в основное состояние (снизу)

C. Nenstiel et al. / Comm. Phys.


Чтобы обнаружить коллексоны, исследователи провели следующий эксперимент. На первом шаге они взяли тонкую пленку нитрида галлия GaN — полупроводника n-типа — и заместили в ней часть атомов галлия германием, чтобы повысить в ней концентрацию свободных электронов. Затем физики измерили спектр фотолюминесценции полученного образца, то есть направляли на нее фотоны с энергией от 3,2 до 3,6 электронвольт и следили за интенсивностью излучения, возникающего после поглощения и переизлучения фотонов. Оказалось, что в спектре возникает два острых пика, отвечающих энергиям примерно 3,492 и 3,505 электронвольт. Это указывает на то, что при поглощении фотонов в полупроводнике возникают квазичастицы с соответствующими энергиями связи, которые впоследствии распадаются. Первому пику, выраженному более ярко и возникающему на энергии около 3,492 электронвольт, отвечают коллексоны — системы электрон-дырка, связанные рассеянием электронов моря Ферми. Второй пик предположительно связан с биколлексонами, которые связывают уже четыре частицы и образуются по той же схеме.

Спектр фотолюминесценции, на котором отчетливо видны пики, отвечающие распаду коллексонов (XL) и биколлексонов (XU)

C. Nenstiel et al. / Comm. Phys.


Авторы статьи отмечают, что обычные экситоны в допированной пленке нитрида галлия возникать не могут, поскольку энергия связи пары электрон-дырка в ней слишком мала. Таким образом, введение новой квазичастицы позволяет объяснить наблюдаемые пики наиболее естественным способом. Впрочем, пока ученые не смогли предложить подробную теоретическую модель, которая объясняет образование коллексонов, и ограничились качественными соображениями.

В настоящее время физикам известно несколько десятков квазичастиц, и исследователи постоянно расширяют их список. Тем не менее, обычно новую квазичастицу открывают теоретически, и только потом подтверждают ее существование в прямых экспериментах. Например, так происходило с магнонами и ридберговскими поляронами, антискирмионами и тополяритонами. Работа немецких ученых необычна тем, что им удалось обнаружить новую квазичастицу экспериментально, не делая предварительного теоретического обоснования.

Дмитрий Трунин

Читать дальше
Twitter
Одноклассники
Мой Мир

материал с nplus1.ru

1

      Add

      You can create thematic collections and keep, for instance, all recipes in one place so you will never lose them.

      No images found
      Previous Next 0 / 0
      500
      • Advertisement
      • Animals
      • Architecture
      • Art
      • Auto
      • Aviation
      • Books
      • Cartoons
      • Celebrities
      • Children
      • Culture
      • Design
      • Economics
      • Education
      • Entertainment
      • Fashion
      • Fitness
      • Food
      • Gadgets
      • Games
      • Health
      • History
      • Hobby
      • Humor
      • Interior
      • Moto
      • Movies
      • Music
      • Nature
      • News
      • Photo
      • Pictures
      • Politics
      • Psychology
      • Science
      • Society
      • Sport
      • Technology
      • Travel
      • Video
      • Weapons
      • Web
      • Work
        Submit
        Valid formats are JPG, PNG, GIF.
        Not more than 5 Мb, please.
        30
        surfingbird.ru/site/
        RSS format guidelines
        500
        • Advertisement
        • Animals
        • Architecture
        • Art
        • Auto
        • Aviation
        • Books
        • Cartoons
        • Celebrities
        • Children
        • Culture
        • Design
        • Economics
        • Education
        • Entertainment
        • Fashion
        • Fitness
        • Food
        • Gadgets
        • Games
        • Health
        • History
        • Hobby
        • Humor
        • Interior
        • Moto
        • Movies
        • Music
        • Nature
        • News
        • Photo
        • Pictures
        • Politics
        • Psychology
        • Science
        • Society
        • Sport
        • Technology
        • Travel
        • Video
        • Weapons
        • Web
        • Work

          Submit

          Thank you! Wait for moderation.

          Тебе это не нравится?

          You can block the domain, tag, user or channel, and we'll stop recommend it to you. You can always unblock them in your settings.

          • nplus1.ru
          • физика
          • ученые
          • эксперименты
          • домен nplus1.ru

          Get a link

          Спасибо, твоя жалоба принята.

          Log on to Surfingbird

          Recover
          Sign up

          or

          Welcome to Surfingbird.com!

          You'll find thousands of interesting pages, photos, and videos inside.
          Join!

          • Personal
            recommendations

          • Stash
            interesting and useful stuff

          • Anywhere,
            anytime

          Do we already know you? Login or restore the password.

          Close

          Add to collection

             

            Facebook

            Ваш профиль на рассмотрении, обновите страницу через несколько секунд

            Facebook

            К сожалению, вы не попадаете под условия акции