Ples elektrona i rupa | priroda

Ples elektrona i rupa | priroda

Anonim

teme

  • Primjena fizike
  • Fizika kondenzirane tvari

Koliko parova elektrona i 'nedostajućih elektrona' mogu održati kolektivno gibanje u poluvodiču? Granice ovog plesa u elektronskim rupama pronalaze se sondiranjem plesnog podija ultrabrzim laserskim impulsima.

Kad svjetlost apsorbira poluvodič, njegova energija uzrokuje da elektron skače iz ispunjene valentne energetske trake materijala u prazni vodljivi pojas, ostavljajući iza sebe "rupu" suprotnog električnog naboja od one elektrona. U solarnoj ćeliji ovi osnovni nosači naboja - elektron i rupa - kreću se potpuno neovisno i prebačeni su prema suprotnim elektrodama da bi proizveli električnu energiju. Ali u poluvodičima na niskoj temperaturi (oko 10 kelvina), elektron i rupa doživljavaju slabu kubumsku privlačnost jedni prema drugima, i vežu se u stabilni entitet poznat kao eksciton 1 . Prije nego što se kreću neovisno, gibanja elektrona i rupe sada su u korelaciji - baš kao što elektron kruži oko protona u Bohrovom modelu vodikovog atoma.

Na stranici 1089 ovog izdanja, Turner i Nelson 2 opisuju eksperimente koji pružaju uvid u to kako elektroni i rupe međusobno djeluju na niskoj temperaturi u 'kvantnim jažicama' arsenida poluvodiča galija (GaAs). Razumijevanje načina na koji nosači komuniciraju nije samo važno za testiranje osnovnih teorija fizike mnogih tijela, već ima i velike praktične implikacije na fiziku i kemiju.

Vraćajući se osnovama, što se događa ako se poluvodiču doda drugi par elektrona-rupa? Baš kao što se dva atoma vodika vežu za formiranje molekule H2, tako se dva ekscitona slabo vežu i stvaraju vrstu zvanu biexciton. U biexcitonu, sva četiri nosača izvršavaju korelirane prijedloge, što predstavlja težak problem za teoriju. Ono što posebno zanima istraživače u tim prijedlozima su neklasične pojave 3 . Prvo, elektroni i rupe su fermioni, tj. Posjeduju polu-cijeli broj spina, a određene kombinacije ovih spin konfiguracija kvantno se mehanički miješaju u oblikovanje valne funkcije s više čestica sustava. Način na koji se ovi spinovi spajaju među česticama može pomoći elektronima da se izbjegavaju jedni drugima pomoću principa Paulove isključenosti; ali kvantna mehanika jamči da Coulomb-ovo odbijanje između elektrona ne može postati beskonačno. Drugo, valna funkcija koja opisuje skupne pokrete nekoliko elektrona i rupa odražava činjenicu da te čestice ne lete klasičnim putanjama, već umjesto toga slijede nekoliko alternativnih ruta istovremeno. Kao i valovi, amplitude tih alternativa zbrajaju da bi se odredili najvjerojatniji prijedlozi.

Iako su ekscitoni i biekscitoni u GaAs detaljno istraženi, ostaje pitanje koliko ekscitona može koherentirano komunicirati, tako da su pokreti svih elektrona i rupa korelirani. Turner i Nelson 2 pokazuju da u ovom materijalu setovi tri para elektrona-rupa plešu u korak, ali skupovi od četiri para to ne čine. Bavljenje takvim naizgled nevinim pitanjem zahtijevalo je značajan napredak u tehnici poznatoj kao koherentna nelinearna optička spektroskopija. Ovaj oblik spektroskopije dugo je obećao pružanje sustavnog načina za istraživanje hijerarhije sustava elektrona-rupa i njihovih korelacija, jer se može upotrijebiti "redoslijed" spektroskopije - koliko je puta laserski impuls pogodio uzorak za kontrolu broja parova elektrona-rupa 3, 4 . U novije je vrijeme shvaćeno da dvodimenzionalne tehnike fotona-odjeka mogu odrediti energiju potrebnu za stvaranje eksitona u usporedbi s energijom potrebnom za stvaranje biekscitona, čime se izravno otkriva energija koja veže ekscitone u tvorbu biekscitona 5, 6 . Turner i Nelson kombiniraju ove strategije, ali zatim ih proširuju na herojsku spektroskopsku razinu sedmog reda - to jest, njihov femtosekundni laser (1 femtosekunda = 10-15 sekundi) djeluje sedam puta sa uzorkom prije nego što signal zrači.

Zbog povezanosti elektrona i rupa, fotoekscitacija rezultira stvaranjem kolektivnih elektroničkih stanja koja zauzvrat značajno doprinose pojavama poput nelinearnih optičkih svojstava, optičkog dobitka u laserskim medijima, dinamike jako pobuđenih stanja i stvaranja ' upleteni 'fotoni. Iako autori eksperimenti 2 ukazuju na prisutnost korelacija (Sl. 1), otkrivaju li kako se detalji ili implikacije takvih korelacija odnose na ove vrste pojava? Čini se da nije.

Image

Jedan laserski snop koji proizvodi impulse femtosekundnog trajanja podijeljen je u uzorak više laserskih zraka pomoću oblikovača snopa. Vremena između femtosekundnih impulsa u ovim snopovima precizno su podešena korištenjem oblikovača impulsa. Zrake se zatim usredotočuju na uzorak, koji je izrađen od poluvodiča materijala od galij arsenida, kroz sustav leća. Kao rezultat načina na koji laserski impulsi pokreću elektroničke prijelaze u uzorku, stvara se signalna zraka. Taj snop detektira posebno izgrađenim spektrometrom. Iz njihove analize rezultirajućeg spektra, Turner i Nelson otkrivaju da skupovi tri para elektrona-rupa u poluvodiču prikazuju kolektivno ponašanje, dok skupovi od četiri para ne.

Slika pune veličine

Promjene energije zabilježene u eksperimentima (energije vezanja biexcitona i triexcitona) proizlaze iz kombinacije dva glavna učinka. Prvo, koje vjerojatno dominira, objašnjavaju teorijama poput metode Hartree-Fock. Ove teorije procjenjuju prosječne privlačnosti elektrona-rupa, odbijanje elektrona-elektrona (rupa-rupa) i kvantno-mehaničke korekcije razmjene ovih Kulomovih interakcija pretpostavljajući da se naboji šire u prostoru prema vjerojatnosti da će se tamo naći čestica,

Drugi učinak, nazvan elektronska korelacija u kvantno-kemijskoj literaturi 7, opisuje fascinantan način na koji elektroni i rupe teže koordiniraju svoje pokrete kako bi umanjili odbojnosti. Na primjer, dva elektrona mogu se kretati na takav način da izbjegavaju križanje staza. Složenost ovog problema naglo raste s brojem uključenih čestica. Iako trenutna ispitivanja učinaka na mnoga tijela pružaju važan prvi korak za razumijevanje kako grupe nosača međusobno djeluju, oni ne mogu kvantificirati prosječne Coulomb-ove odbojnosti i atrakcije u odnosu na to kako su modificirani korelacijama u pokretima s više čestica.

Mnogo je razloga koji istražuju međusobnu interakciju elektrona (i rupa) 8 . Na primjer, odnosi kemijske strukture i svojstva koji upravljaju nelinearnim odzivom organskih molekula na svjetlost ovise o energiji stanja višestrukih ekscitona u odnosu na pojedinačno pobuđena stanja 9 . Čimbenici koji diktiraju vezivanje elektrona-rupa u organskim solarnim ćelijama također su pod intenzivnom istragom. Izazov na ovom području je što elektroni i rupe u organskim materijalima djeluju mnogo jače nego one u poluvodičima kao što su GaAs ili silicij zbog male dielektrične konstante organskih materijala. Disocijacija nosača učinkovito za proizvodnju električne energije je, dakle, mnogo teži zadatak u organskim solarnim ćelijama nego u konvencionalnim silikonskim.

Predviđanje kemijske reaktivnosti je još jedan vidljiv primjer. Modeli srednjeg polja u kemiji - odnosno teorije temeljene na molekularno-orbitalnim energijama, simetrijama i oblicima - postigli su ogroman uspjeh u predviđanju elektroničke strukture, objašnjavajući reaktivnost i kvalitativno opisujući spektroskopiju. Na primjer, na primjer, naše razumijevanje kemijske reaktivnosti vodi se Paulingovom skalom elektronegativnosti; elektroni se kreću iz područja bogatih elektronima u regije reaktanata siromašne elektronima. Međutim, korelirana kretanja elektrona u molekulama su značajna. Možemo li ovaj korelirani odgovor elektrona iskoristiti za promicanje učinkovite, usklađene kemijske promjene? Objašnjenje ovih vrsta kvantno-mehaničkih detalja u fizici kondenziranih tvari bilo bi transformativno i imalo bi dalekosežne posljedice.

komentari

Slanjem komentara slažete se s našim Uvjetima i smjernicama zajednice. Ako ustanovite da je nešto zloupotrebno ili nije u skladu s našim uvjetima ili smjernicama, označite to kao neprimjereno.