Трион (физика)

Трион — связанное состояние трех заряженных частиц. Отрицательно заряженный трион в кристаллах состоит из двух электронов и одной дырки , а положительно заряженный трион — из двух дырок и одного электрона. Энергия связи триона во многом определяется обменным взаимодействием между двумя электронами (дырками). Основное состояние отрицательно заряженного триона является синглетным (суммарный спин двух электронов S =0). Триплетное . состояние (суммарный спин двух электронов S=1) является несвязанным в отсутствие дополнительного потенциала или достаточно сильного магнитного поля

Как и экситоны, трионы могут создаваться путем оптического возбуждения . Падающий фотон создает экситон, и этот экситон связывается с дополнительным электроном (дыркой), образуя трион. Время связи экситона с дополнительным электроном того же порядка, что и время образования экситона. Вот почему трионы наблюдаются не только в спектрах излучения , но и в спектрах поглощения и отражения .

Состояния триона были теоретически предсказаны в 1958 году; ^[1] Впервые они наблюдались экспериментально в 1993 году в _{CdTe/Cd 1−x} Zn _x квантовых ямах Te Рональдом Коксом и соавторами, ^[2] а затем и в различных других полупроводниковых структурах. ^[3]^[4]^[5] В последние годы активно изучаются трионные состояния в квантовых точках. ^[6]^[7]^[8]^[9] Есть экспериментальные доказательства их существования в нанотрубках. ^[10] подкреплено теоретическими исследованиями. ^[11]Особый интерес представляет исследование трионов в атомно тонких двумерных (2D) слоях дихалькогенидов переходных металлов. ^[12]^[13]^[14] В таких материалах взаимодействие носителей заряда многократно усиливается за счет ослабления экранировки. ^[15]

Важным свойством триона является то, что его основным состоянием является синглет. В результате в достаточно большом магнитном поле, когда все электроны оказываются спин-поляризованными, под действием света только одной круговой поляризации рождаются трионы. В этой поляризации экситоны с соответствующим угловым моментом образуют синглетные трионные состояния. ^[16] Свет с противоположной круговой поляризацией может образовывать только триплетные состояния триона.

Помимо образования связанных состояний, взаимодействие экситонов с электронами может привести к рассеянию экситонов на электронах. В магнитном поле электронный спектр становится дискретным, а экситонные состояния, рассеянные электронами, проявляются как явление «экситонного циклотронного резонанса» (ЭЦР). ^[17] В ExCR падающий фотон создает экситон, который заставляет дополнительный электрон переходить между уровнями Ландау s. Обратный процесс называется «встряской». ^[18] В этом случае рекомбинация триона сопровождается переходом дополнительного электрона между уровнями Ландау.

Поскольку энергии экситона и триона близки, они могут образовывать когерентное связанное состояние, в котором трион может «потерять» электрон и стать экситоном, а экситон может «захватить» электрон и стать трионом. Если между потерей и захватом электрона нет времени для его диссипации, образуется смешанное состояние, подобное экситон-поляритону. ^[19] Такие состояния надежно наблюдались в квантовых ямах и монослоях дихалькогенидов.

Экситон-электронное взаимодействие в присутствии плотного электронного газа может привести к образованию так называемого «сурис-тетрона». ^[20] Это состояние четырех частиц: экситона, электрона и дырки в море Ферми.

Ссылки

^ Ламперт, Мюррей А. (1958). «Подвижные и неподвижные комплексы эффективной массы-частицы в неметаллических твердых телах». Письма о физических отзывах . 1 (12): 450–453. Бибкод : 1958PhRvL...1..450L . дои : 10.1103/PhysRevLett.1.450 .
^ Хенг, К.; Кокс, RT; д'Обинье, Мерль Ю.; Бассани, Франк; Саминадаяр, К.; Татаренко С. (1993). «Наблюдение отрицательно заряженных экситонов X ⁻ в полупроводниковых квантовых ямах». Physical Review Letters . 71 (11): 1752–1755. doi : 10.1103/PhysRevLett.71.1752 . PMID 10054489 .
^ Г.Финкельштейн; и др. (1995). «Оптическая спектроскопия двумерного электронного газа вблизи перехода металл-изолятор». Физ. Преподобный Летт . 74 (6): 976–979. Бибкод : 1995PhRvL..74..976F . дои : 10.1103/PhysRevLett.74.976 . ПМИД 10058896 .
^ Эй Джей Шилдс; и др. (1995). «Магнитооптическая спектроскопия положительно заряженных экситонов в квантовых ямах GaAs». Физ. Преподобный . Б52 (8): Р5523–Р5526. Бибкод : 1995PhRvB..52.5523S . дои : 10.1103/PhysRevB.52.R5523 . ПМИД 9981820 .
^ Г.В.Астахов; и др. (1999). «Заряженные экситоны в квантовых ямах на основе ZnSe». Физ. Преподобный . Б60 (12): Р8485–Р8488. Бибкод : 1999PhRvB..60.8485A . дои : 10.1103/PhysRevB.60.R8485 .
^ М. Байер; и др. (2000). «Скрытые симметрии на энергетических уровнях экситонных «искусственных атомов» ». Природа . 405 (6789): 923–926. Бибкод : 2000Natur.405..923B . дои : 10.1038/35016020 . ПМИД 10879527 .
^ Р. Дж. Уорбертон; и др. (2000). «Оптическая эмиссия квантового кольца с перестраиваемым зарядом». Природа . 405 (6789): 926–929. Бибкод : 2000Natur.405..926W . дои : 10.1038/35016030 . hdl : 10261/32146 . ПМИД 10879528 .
^ Лука Сапиенца; и др. (2016). «Магнитооптическая спектроскопия однозарядных перестраиваемых квантовых точек InAs/GaAs, излучающих на телекоммуникационных длинах волн». Физ. Преподобный . B93 (15): 155301. arXiv : 1601.05365 . Бибкод : 2016PhRvB..93o5301S . дои : 10.1103/PhysRevB.93.155301 .
^ Дэниел Гаммон; и др. (2002). «Оптические исследования одиночных квантовых точек». Физ. Сегодня . 55 (10): 36–41. Бибкод : 2002ФТ....55ж..36Г . дои : 10.1063/1.1522165 .
^ Мацунага, Р.; Мацуда, К.; Канемицу, Ю. (2011). «Наблюдение заряженных экситонов в дырочно-легированных углеродных нанотрубках с помощью фотолюминесценции и абсорбционной спектроскопии». Физ. Преподобный Летт . 106 (37404): 1. arXiv : 1009.2297 . Бибкод : 2011PhRvL.106c7404M . doi : 10.1103/PhysRevLett.106.037404 . ПМИД 21405298 . S2CID 19049386 .
^ Марченко, Сергей (2012). «Стабильность трионных состояний в зигзагообразных углеродных нанотрубках». укр. Дж. Физ . 57 : 1055–1059. arXiv : 1211.5754 . Бибкод : 2012arXiv1211.5754M .
^ Мак, К.Ф.; и др. (2013). «Плотно связанные трионы в монослое MoS ₂ ». Нат. Мэтр . 12 (3): 207–211. arXiv : 1210.8226 . Бибкод : 2013NatMa..12..207M . дои : 10.1038/nmat3505 . ПМИД 23202371 . S2CID 205408065 .
^ Черников Алексей; и др. (2014). «Энергия связи экситона и неводородный ряд Ридберга в монослое WS ₂ ». Физ. Преподобный Летт . 113 (7): 076802. arXiv : 1403.4270 . Бибкод : 2014PhRvL.113g6802C . doi : 10.1103/PhysRevLett.113.076802 . ПМИД 25170725 .
^ Э. Куртад; и др. (2007). «Заряженные экситоны в монослое WSe ₂ : Эксперимент и теория». Физ. Преподобный . B96 (8): 085302. arXiv : 1705.02110 . дои : 10.1103/PhysRevB.96.085302 .
^ Келдыш, Л.В. (1979). «Кулоновское взаимодействие в тонких пленках полупроводников и полуметаллов» . ЖЭТФ . 29 :658.
^ Г.В. Астахов; и др. (2002). «Оптический метод определения плотности носителей в модуляционно-легированных квантовых ямах». Физ. Преподобный . B65 (11): 115310. arXiv : cond-mat/0111593 . Бибкод : 2002PhRvB..65k5310A . дои : 10.1103/PhysRevB.65.115310 .
^ Д.Р. Яковлев; и др. (1997). «Комбинированный экситон-циклотронный резонанс в структурах с квантовыми ямами». Физ. Преподобный Летт . 79 (20): 3974–3977. Бибкод : 1997PhRvL..79.3974Y . doi : 10.1103/PhysRevLett.79.3974 . hdl : 2066/28897 .
^ Глеб Финкельштейн; и др. (1996). «Процессы встряски в спектрах рекомбинации отрицательно заряженных экситонов». Физ. Преподобный . Б53 (19): 12593–12596. Бибкод : 1996PhRvB..5312593F . дои : 10.1103/PhysRevB.53.12593 . ПМИД 9982919 .
^ Р.А.Сурис; и др. (2001). «Экситоны и трионы, модифицированные взаимодействием с двумерным электронным газом». Физ. Стат. Сол. Б. 227 (2): 343–352. Бибкод : 2001ПССБР.227..343С . doi : 10.1002/1521-3951(200110)227:2<343::AID-PSSB343>3.0.CO;2-W .
^ Р.А. Сурис, «Корреляция между трионом и дыркой в распределении Ферми в процессе фотовозбуждения триона в легированных квантовых ямах», «Оптические свойства 2D-систем с взаимодействующими электронами» Материалы семинара перспективных исследований НАТО, проходившего в Санкт-Петербурге, Россия, 13-16 июня 2002 г. отредактировано; СЕРИЯ НАУКИ НАТО: II: Математика, физика и химия.V.119 ISBN 1-4020-1549-6

[1] Ламперт, Мюррей А. (1958). «Подвижные и неподвижные комплексы эффективной массы-частицы в неметаллических твердых телах». Письма о физических отзывах . 1 (12): 450–453. Бибкод : 1958PhRvL...1..450L . дои : 10.1103/PhysRevLett.1.450 .

[2] Хенг, К.; Кокс, RT; д'Обинье, Мерль Ю.; Бассани, Франк; Саминадаяр, К.; Татаренко С. (1993). «Наблюдение отрицательно заряженных экситонов X ⁻ в полупроводниковых квантовых ямах». Physical Review Letters . 71 (11): 1752–1755. doi : 10.1103/PhysRevLett.71.1752 . PMID 10054489 .

[3] Г.Финкельштейн; и др. (1995). «Оптическая спектроскопия двумерного электронного газа вблизи перехода металл-изолятор». Физ. Преподобный Летт . 74 (6): 976–979. Бибкод : 1995PhRvL..74..976F . дои : 10.1103/PhysRevLett.74.976 . ПМИД 10058896 .

[4] Эй Джей Шилдс; и др. (1995). «Магнитооптическая спектроскопия положительно заряженных экситонов в квантовых ямах GaAs». Физ. Преподобный . Б52 (8): Р5523–Р5526. Бибкод : 1995PhRvB..52.5523S . дои : 10.1103/PhysRevB.52.R5523 . ПМИД 9981820 .

[5] Г.В.Астахов; и др. (1999). «Заряженные экситоны в квантовых ямах на основе ZnSe». Физ. Преподобный . Б60 (12): Р8485–Р8488. Бибкод : 1999PhRvB..60.8485A . дои : 10.1103/PhysRevB.60.R8485 .

[6] М. Байер; и др. (2000). «Скрытые симметрии на энергетических уровнях экситонных «искусственных атомов» ». Природа . 405 (6789): 923–926. Бибкод : 2000Natur.405..923B . дои : 10.1038/35016020 . ПМИД 10879527 .

[7] Р. Дж. Уорбертон; и др. (2000). «Оптическая эмиссия квантового кольца с перестраиваемым зарядом». Природа . 405 (6789): 926–929. Бибкод : 2000Natur.405..926W . дои : 10.1038/35016030 . hdl : 10261/32146 . ПМИД 10879528 .

[8] Лука Сапиенца; и др. (2016). «Магнитооптическая спектроскопия однозарядных перестраиваемых квантовых точек InAs/GaAs, излучающих на телекоммуникационных длинах волн». Физ. Преподобный . B93 (15): 155301. arXiv : 1601.05365 . Бибкод : 2016PhRvB..93o5301S . дои : 10.1103/PhysRevB.93.155301 .

[9] Дэниел Гаммон; и др. (2002). «Оптические исследования одиночных квантовых точек». Физ. Сегодня . 55 (10): 36–41. Бибкод : 2002ФТ....55ж..36Г . дои : 10.1063/1.1522165 .

[10] Мацунага, Р.; Мацуда, К.; Канемицу, Ю. (2011). «Наблюдение заряженных экситонов в дырочно-легированных углеродных нанотрубках с помощью фотолюминесценции и абсорбционной спектроскопии». Физ. Преподобный Летт . 106 (37404): 1. arXiv : 1009.2297 . Бибкод : 2011PhRvL.106c7404M . doi : 10.1103/PhysRevLett.106.037404 . ПМИД 21405298 . S2CID 19049386 .

[11] Марченко, Сергей (2012). «Стабильность трионных состояний в зигзагообразных углеродных нанотрубках». укр. Дж. Физ . 57 : 1055–1059. arXiv : 1211.5754 . Бибкод : 2012arXiv1211.5754M .

[12] Мак, К.Ф.; и др. (2013). «Плотно связанные трионы в монослое MoS ₂ ». Нат. Мэтр . 12 (3): 207–211. arXiv : 1210.8226 . Бибкод : 2013NatMa..12..207M . дои : 10.1038/nmat3505 . ПМИД 23202371 . S2CID 205408065 .

[13] Черников Алексей; и др. (2014). «Энергия связи экситона и неводородный ряд Ридберга в монослое WS ₂ ». Физ. Преподобный Летт . 113 (7): 076802. arXiv : 1403.4270 . Бибкод : 2014PhRvL.113g6802C . doi : 10.1103/PhysRevLett.113.076802 . ПМИД 25170725 .

[14] Э. Куртад; и др. (2007). «Заряженные экситоны в монослое WSe ₂ : Эксперимент и теория». Физ. Преподобный . B96 (8): 085302. arXiv : 1705.02110 . дои : 10.1103/PhysRevB.96.085302 .

[15] Келдыш, Л.В. (1979). «Кулоновское взаимодействие в тонких пленках полупроводников и полуметаллов» . ЖЭТФ . 29 :658.

[16] Г.В. Астахов; и др. (2002). «Оптический метод определения плотности носителей в модуляционно-легированных квантовых ямах». Физ. Преподобный . B65 (11): 115310. arXiv : cond-mat/0111593 . Бибкод : 2002PhRvB..65k5310A . дои : 10.1103/PhysRevB.65.115310 .

[17] Д.Р. Яковлев; и др. (1997). «Комбинированный экситон-циклотронный резонанс в структурах с квантовыми ямами». Физ. Преподобный Летт . 79 (20): 3974–3977. Бибкод : 1997PhRvL..79.3974Y . doi : 10.1103/PhysRevLett.79.3974 . hdl : 2066/28897 .

[18] Глеб Финкельштейн; и др. (1996). «Процессы встряски в спектрах рекомбинации отрицательно заряженных экситонов». Физ. Преподобный . Б53 (19): 12593–12596. Бибкод : 1996PhRvB..5312593F . дои : 10.1103/PhysRevB.53.12593 . ПМИД 9982919 .

[19] Р.А.Сурис; и др. (2001). «Экситоны и трионы, модифицированные взаимодействием с двумерным электронным газом». Физ. Стат. Сол. Б. 227 (2): 343–352. Бибкод : 2001ПССБР.227..343С . doi : 10.1002/1521-3951(200110)227:2<343::AID-PSSB343>3.0.CO;2-W .

[20] Р.А. Сурис, «Корреляция между трионом и дыркой в распределении Ферми в процессе фотовозбуждения триона в легированных квантовых ямах», «Оптические свойства 2D-систем с взаимодействующими электронами» Материалы семинара перспективных исследований НАТО, проходившего в Санкт-Петербурге, Россия, 13-16 июня 2002 г. отредактировано; СЕРИЯ НАУКИ НАТО: II: Математика, физика и химия.V.119 ISBN 1-4020-1549-6

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]