В экспериментах с нанотрубками зарегистрированы сложные квазичастицы

Физики из Киотского университета зарегистрировали появление трионов в полупроводящих углеродных нанотрубках при комнатной температуре.

При поглощении фотонов полупроводником электроны, как известно, попадают из валентной зоны в зону проводимости, оставляя после себя дырки — квазичастицы с положительным зарядом. Фотовозбуждённая пара частиц, связываемая кулоновскими силами, может образовать новую нейтральную квазичастицу, называемую экситоном; через некоторое непродолжительное время электрон и дырка рекомбинируют (аннигилируют) с испусканием фотона. Экситоны в нанотрубках отличаются высокой энергией связи, которая обычно составляет несколько десятых долей электронвольта.

Положительно заряженный трион можно получить из экситона, «прикрепив» к нему дырку. Такая квазичастица напоминает ионизованную молекулу водорода, но связи в трионе менее крепкие: его отличие от двух протонов и электрона в молекуле Н2+ состоит в том, что эффективные массы электрона и дырки практически равны.

Существование трёхчастичных электрон-дырочных комплексов в полупроводниках было предсказано в 1958 году, а экспериментальное подтверждение эта идея получила в конце ХХ века. Однако в нанотрубках трионы ещё не наблюдались.

Рис. 1. Трион — электрон и две дырки — в углеродной нанотрубке (иллюстрация Alan Stonebraker).

Успех проведённого опыта обеспечили акцепторные примеси. Полученные легированные нанотрубки исследовались спектроскопическими методами, и при анализе снятых спектров фотолюминесценции и поглощения физики обнаружили дополнительный пик, который отходит от экситонного в область меньших энергий. Соответствующая новому пику энергия не изменялась при использовании разных примесей и варьировании их концентраций. Кроме того, с увеличением концентрации трионный пик становился более выраженным.

Интересно, что упомянутые пики оказались разнесены на очень большое энергетическое «расстояние» — (0,1–0,2) эВ. Учёные связывают это с квантовомеханическим эффектом обменного взаимодействия.

Полная версия отчёта опубликована в статье:

Ryusuke Matsunaga, Kazunari Matsuda and Yoshihiko Kanemitsu Observation of Charged Excitons in Hole-Doped Carbon Nanotubes Using Photoluminescence and Absorption Spectroscopy. – Physical Review Letters. – V.106. – 037404 (2011) [4 pages].

Источник

«Счастье дается только знающим. Чем больше знает человек, тем резче, тем сильнее он видит поэзию земли там, где ее никогда не найдет человек, обладающий скудными знаниями»

Константин Паустовский

Файлы

Революция надежды. Избавление от иллюзий

Руководство по управлению космическим кораблём Земля

Вычислительная машина и мозг

Чудеса: Популярная энциклопедия