Excitó

De Viquipèdia
Dreceres ràpides: navegació, cerca
Excitó de Frenkel

Un excitó és una quasipartícula (o excitació elemental) dels sòlids formada per un electró i un forat lligats a través de la interacció coulombianes. Es dóna únicament en semiconductors i aïllants.

Una manera d'entendre la formació de l'excitó és la següent: un foto arriba a un semiconductor, excitant un electró des de la banda de valència a la banda de conducció. El buit que deixa després de si l'electró a la banda de valència, en tenir càrrega oposada, interacciona amb ell, atraient-lo a través de la força de Coulomb, de manera que queden lligats l'un a l'altre. El sistema que resulta d'aquest vincle és justament el excitó, i posseeix una energia lleugerament menor que la d'un electró i un forat lliures.

Atès que aquest sistema és similar al que formen, en els àtoms hidrogenoides, l'electró i el nucli, el seu funció d'ona també serà hidrogenoide. No obstant això, l'energia de lligadura és molt menor, i la seva mida molt més gran que els de l'àtom d'hidrogen, a causa dels efectes de pantalla (que es tradueix en una permitivitat dielèctrica més gran que la del buit) ia la massa efectiva de l'electró i el buit, que só característics del material.

En un àtom d'hidrogen el nucli i l'electró poden tenir el espín paral lel o antiparal, i el mateix li succeeix a l'excitó.

Subtipus[modifica | modifica el codi]

Els excitons es poden classificar atenent a dos casos límits, que depenen de les propietats del material en qüestió:

  • Excitó de Mott-Wannier : A semiconductors, la permitivitat dielèctrica és, en general, gran i per tant el apantallament tendeix a reduir la interacció coulombianes entre els electrons i els forats. El resultat és un excitó de Mott-Wannier , que té un radi molt major que el paràmetre de xarxa del material. Això fa que l'efecte del potencial cristal hagi de ser incorporat en el càlcul de les masses efectives de l'electró i el buit, que seran per tant menors. A causa d'això i a l'apantallament de la interacció coulombianes, l'energia de lligadura d'aquests excitones sol ser molt menor que la de l'àtom d'hidrogen, típicament de l'ordre de 0,1 eV. Aquest tipus de excitó li deu el seu nom als físics Sir Nevill Francis Mott i Gregory Wannier.
  • Excitó de Frenkel : Quan la permitivitat dielèctrica del material és molt petita, aleshores la interacció coulombianes entre l'electró i el buit es torna molt fort i els excitones tendeixen a ser molt menors, de l'ordre de la mida la cel unitat, per la qual cosa l'electró i el buit queden emplaçats en la mateixa cel la. Aquest excitó de Frenkel , anomenat així pel físic Yakov Frenkel, té una energia de lligadura típica de l'ordre d'1,0 eV.

Alternativament, un excitó pot considerar-se com un estat excitat d'un àtom o que vaga d'una cel de la xarxa cristal·lina a una altra.

Sovint hi ha més d'una banda tant per l'electró com per al buit, el que dóna lloc a diferents tipus de excitons dins d'un mateix material. Fins i tot poden utilitzar-se bandes d'alta energia per a la formació de excitons, com es demostra en experiments d'absorció de dos fotons de femtosegon s.

Dinàmica[modifica | modifica el codi]

La probabilitat que un parell electró-buit es recombinen (l'electró passi a ocupar el buit) està limitada per la dificultat que suposa per al parell la pèrdua de l'excés d'energia que conté, de manera que els excitones tenen una vida mitjana relativament llarga (s'han arribat a observar vides mitjanes superiors a diversos milisegons en òxid cuprós Cu2O). S'han proposat múltiples mecanismes de desexcitació excitóica, entre els quals hi ha dos d'especial importància. El primer consisteix en la dissipació de l'energia del excitó a través de la seva interacció amb fonons. El segon és a través de la desexcitació radiativa, en la qual l'energia sobrant és cedida en forma de radiació electromagnètica. En general actua una combinació d'ambdós processos.

Un altre factor limitant en la probabilitat de recombinació és el solapament espacial de les funcions d'ona de l'electró i el buit. Aquest solapament és menor per als electrons i buits més lleugers i per a estats molt excitats.

A més, els excitons poden moure's a través del sòlid. Amb aquesta energia cinètica addicional l'energia total de l'excitó pot superar a la de la gap. Els excitons que es propaguen a través de cristalls moleculars són uns dels de major interès.

Característiques[modifica | modifica el codi]

  • Atès que un excitó és un estat lligat entre un electró i un forat, la càrrega total d'aquesta quasipartícula és nul, de manera que en el seu moviment no transporta càrrega elèctrica, encara que sí energia.

Interaccions[modifica | modifica el codi]

Amb altres partícules[modifica | modifica el codi]

Els excitones só el principal mecanisme d'emissió i absorció de llum (emissió fotònica) en semiconductors a baixa temperatura, quan el producte de la constant de Boltzmann, k, per la temperatura, T, és menor que l'energia de lligadura de l'excitó (kT <E  _{exciton}). Aquest mecanisme deixa de ser important a altes temperatures, on predominen altres mecanismes com la recombinació electrònica de parells lliures electró-buit (que no estan lligats formant un excitó), o transicions entre nivells que es troben a l'interior del gap (introduïts per defectes de la xarxa cristal·lina).

Com a conseqüència l'única forma d'estudiar els excitons a partir de mesures d'absorció o emissió òptica és reduir la temperatura fins a assolir temperatures de l'ordre d'unes desenes de Kelvin (encara que depèn de l'energia de lligadura de cada excitó).

Els excitons també poden interaccionar amb fonons i amb distorsions de la xarxa (produïdes per defectes com ara vacants, o impuresa s per formar polarones.

Amb altres excitons[modifica | modifica el codi]

Sempre que la interacció sigui atractiva, un excitó pot lligar-se amb altres excitones per formar un 'biexcitó', de forma anàloga al que succeeix amb les molècula s de dihidrogen (H  _{2}). Si es forma una alta densitat de excitons, la interacció entre ells pot formar un "líquid d'electrons-forats", un estat del espai de moments en semiconductors indirectes.

D'altra banda, els excitons só partícules d'espín sencer, que obeeixen per tant a l'estadística de Bose-Einstein (en el límit de densitats baixes). S'ha predit que en alguns sistemes, on les interaccions entre excitons só repulsives, poden aparèixer condensats de Bose-Einstein com l'estat fonamental del mateix, havent-se observat aquests condensats en alguns experiments. [1] S'hi refredar una mostra per sota dels 5 kelvins. Quan els electrons es recombinen amb els forats produeixen fotons, que, després de passar per un muntatge òptic, donen lloc a patrons de interferència electromagnètica molt definits, el que és signe que es tracta de llum molt coherent, el que indica que provenen de desexcitacions molt coherents, com les que es donarien en un condensat de Bose-Einstein.

Referències[modifica | modifica el codi]

  1. P. Schewe, B. Stein, D. Castelvecchio. Coherent Exciton Matter (2006) AIP (Physics News Update), 800 (1), http://www.aip.org/pnu/2006/split/800-1.html AIP (en anglès)