Квазичастицы для электроники

Дырка — незаполненная валентная связь в валентной зоне полупроводника, которая проявляет себя как положительный заряд, по абсолютной величине равный заряду электрона. Эффективная масса дырки, как правило, больше, а подвижность меньше, чем у электрона проводимости. Понятие дырки введено для удобства описания свойств электронной системы полупроводника. Дырки, как и электроны, имеют спин, равный ½. Если в полупроводнике основными носителями являются дырки, то говорят о дырочной проводимости.

Экситон — связанное состояние электрона проводимости и дырки, электрически нейтральная частица. Если экситон расположен в узле кристаллической решетки, то речь идет об экситонах Френкеля. Экситоны Ванье — Мотта располагаются на расстояниях больше междуатомных. При малых концентрациях экситоны в кристалле подобны газу. Экситон может обладать нулевым спином (параэкситон, синглет) либо единичным спином (ортоэкситон, триплет). Возможно образование так называемых экситонных капель. В процессах рекомбинации носителей заряда экситоны испускают фотоны или фононы. В свою очередь взаимодействие экситоиов с фотонами стимулирует рождение поляритонов.

Трион — квазичастица, представляющая собой тройку электронов и дырок, связанных кулоновскими силами. Трион может состоять из двух дырок и одного электрона (положительный трион) либо двух электронов и одной дырки (отрицательный трион). Может существовать в синглетном состоянии со спином ½ и триплетном со спином 3/2. Трион образуется при экситон-электронном взаимодействии и в некотором смысле является ионизированным экситоном. Основной характеристикой триона является отношение эффективных масс электрона и дырки.

Поляритон — составная квазичастица, возникающая при взаимодействии фотонов с элементарными возбуждениями среды экситонами, плазмонами, магнонами, фононами. Поляритоны по этому признаку соответственно делятся на экситонные и фононные поляритоны, плазмон-поляритоны и магнонные поляритоны. Взаимодействие электромагнитных волн с возбуждениями среды, приводящее к их связи, становится особенно сильным в случае резонанса, когда одновременно их частоты со и волновые векторы к совпадают. В этой области образуются связанные волны или поляритоны. Их энергия состоит частично из электромагнитной и частично из энергии собственных возбуждений среды.

Поляритоны обладают одновременно свойствами волны и материи. На их основе разрабатываются перспективные методы, создаются новые технологии, связывающие обычную электронику с лазерными и оптоволоконными технологиями. Направление называется поляритоникой.

Биэкситон — связанное состояние двух экситонов. Фактически представляет собой экситонную молекулу. Так, биэкситоны Ванье — Мотта представляют собой четырехчастичные образования и занимают по энергии связи промежуточное положение между молекулой Н₂ и бипозитронием. Стабильность биэкситона зависит от энергии связи самого экситона, отношения эффективных масс электронов и дырок.

Фонон — квант колебательного движения атомов кристалла. Колебания атомов кристалла интерпретируются распространением в веществе системы звуковых волн, квантами которых и являются фононы. В единицах h спин фонона равен нулю. Фонон принадлежит к числу бозонов и описывается статистикой Бозе — Эйнштейна.

Фононы и их взаимодействие с электронами играют фундаментальную роль в современных представлениях о физике сверхпроводников, процессах теплопроводности и рассеяния в твердых телах. Модель кристалла металла можно представить как совокупность гармонически взаимодействующих осцилляторов, причем наибольший вклад в их среднюю энергию дают колебания низких частот, соответствующие упругим волнам, квантами которых и являются фононы. Различают акустические и оптические фононы. При малых волновых векторах акустический фонон характеризуется линейным законом дисперсии и параллельным смещением всех атомов в элементарной ячейке. Такой закон дисперсии описывает звуковые колебания решетки. Оптические фононы существуют только в кристаллах, элементарная ячейка которых содержит два и более атомов. Эти фононы характеризуются при малых волновых векторах такими колебаниями атомов, при которых центр тяжести элементарной ячейки остается неподвижным. Энергия оптических фононов обычно достаточно велика (порядка 500 см^-1) и слабо зависит от волнового вектора.

Солитон — структурно устойчивая нелинейная уединенная, частицеподобная волна, распространяющаяся в нелинейной среде. При взаимодействии друг с другом или с некоторыми другими возмущениями они не разрушаются, а продолжают движение, сохраняя свою структуру неизменной. Это свойство может использоваться для передачи данных на большие расстояния без помех. К одномерным солитонам относят доменные стенки в феррои антиферромагнетиках, 2р-импульсы и солитоны огибающей в нелинейной оптике, локализованные моды коллективной проводимости в молекулах органических полупроводников, волны зарядовой плотности, кванты магнитного потока в джозефсоновских контактах.

К двумерным соли гонам относят дислокации в кристаллических решетках, дисклинации в жидких кристаллах, вихревые структуры в тонком слое сверхтекучей жидкости, магнитные трубки или вихри Абрикосова в сверхпроводниках второго рода, каналы самофокусировки в нелинейной оптике. Трехмерные солитоны — это тороидальные вихревые структуры в ферромагнетиках, солитонные модели элементарных частиц. В квантовой теории поля рассматривают солитоны, локализованные в четырехмерном пространстве-времени, — интастоны.

Приходит время открыть новое направление в науке и технологиях — солитонику.

Магнон — квазичастица, соответствующая элементарному возбуждению системы взаимодействующих спинов. В кристаллах с несколькими магнитными подрешетками могут существовать несколько сортов магнонов, имеющих различные энергетические спектры. Магноны подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна. Магноны взаимодействуют друг с другом и с другими квазичастицами. Существование магнонов подтверждается экспериментами по рассеянию нейтронов, электронов, сопровождающемуся рождением или уничтожением магнона.

Плазмой — квазичастица, квант плазменных колебаний, которые представляют собой коллективные колебания свободного электронного газа. Поверхностные плазмоны или плазмоны, ограниченные поверхностями, сильно взаимодействуют со светом, приводя к образованию поляритонов. Локализованный поверхностный плазмой присутствует в мелких металлических частицах (наночастицах), таких как золото или серебро. При размерах частиц меньше длины волны входящего электромагнитного излучения частица может быть рассмотрена как колеблющийся диполь. Поглощенная энергия электромагнитного излучения может существенно нагревать наночастицы, формировать вынужденное излучение (спазер).

Плазмоника — новая физическая технология — может стать заменой традиционных технологий, используемых в современных компьютерах и другой вычислительной технике. Логические цепи, построенные на основе плазмоники, работают гораздо быстрее, имеют значительно большую информационную емкость, чем традиционные электронные цепи, и, что более важно, обладают гораздо меньшими габаритами, чем существующие оптические системы. Плазмоника комбинирует лучшие свойства электронных и оптических схем, она позволяет комбинировать движение электронов с управлением световым потоком на поверхности устройства.

Плазмоника открывает новые возможности построения молекулярных компьютеров.

Полярой — квазичастица, состоящая из электрона проводимости (или дырки), движущегося вместе с вызванной им деформацией кристаллической решетки. При движении полярона его эффективная масса значительно превышает эффективную массу электрона проводимости.

Примесон — квазичастица, характеризующая поведение примесного атома в квантовых кристаллах. Точечные дефекты решетки, в том числе примесные атомы, в квантовых кристаллах при низких температурах делокализуются и превращаются в квазичастицы. Такие квазичастицы практически свободно движутся через кристалл. Состояние примесона характеризуется квазиимпульсом р и энергетическим спектром, имеющим зонную структуру.

Орбитой — квазичастица, являющаяся элементарным квантом орбитальной волны в твердом теле. Под орбитальной волной будем понимать волну деформации электронов в орбитально ориентированных средах. Под орбитальной ориентированностью будем понимать ситуацию, когда соседние атомы должны иметь строго одинаковую форму электронных оболочек — орбиталей. Под деформацией орбитальной ориентированности имеется в виду различие электронной конфигурации соседних атомов. Для существования орбитальных волн необходимо, чтобы электронные уровни в многоэлсктронном атоме или ионе были вырождены.

Фазой — составная квазичастица, образуемая электроном, локализованным вблизи гетерофазной флуктуации. Если электрон притягивается к такой флуктуации и локализуется вблизи нее, то понижение энергии электрона может скомпенсировать увеличение термодинамического потенциала и стабилизировать флуктуацию (флуктуон). В большинстве случаев радиус фазона оказывается много больше постоянной решетки. Другими словами, фазой является макроскопической квазичастицей.

Возникновение фазона приводит к изменению электронных свойств кристалла в области фазового перехода. В некоторых случаях фазой можно рассматривать как невырожденный газ подвижных квазичастиц, дающий вклад в явления переноса.

Флуктуон — составная квазичастица, образуемая в среде электроном, локализованным в потенциальной яме, возникшей в результате флуктуации определенного параметра среды. В отсутствие электронов такая флуктуация приводит к возрастанию термодинамического потенциала системы. С течением времени флуктуация «рассасывается». При наличии электронов возможна стабилизация флуктуации путем захвата электрона соответствующей потенциальной ямой. При локализации электрона в яме его энергия понижается из-за перехода электрона из зоны проводимости в локализованное состояние в запрещенной зоне. Если понижение энергии электрона при его локализации превосходит по величине повышение термодинамического потенциала, то образование флуктуации с локализованным вблизи нее электроном будет термодинамически выгодным.

При определенных значениях параметров область локализации электрона захватывает большое число атомов. Флуктуон может быть макроскопической квазичастицей. Флуктуон может являться обобщением понятия «полярой».

Энион — квазичастица, существующая в двумерных системах, которые представляют собой обобщение понятий «фермион» и «бозон». Традиционное деление частиц на фермионы и бозоны не применимо к теоретическим частицам, существующим в двух измерениях. Такие частицы могли бы иметь ряд неожиданных свойств.

Показана полезность математического аппарата, связанного с энионами. Анализ полученных данных подтвердил, что квазичастицы стабильно рождаются и исчезают группами определенной численности, т. е. они подчиняются статистике энионного типа.

Развитие полупроводниковой технологии, а именно формирование тонких двумерных слоев, например листов графена, задает потенциал использования свойств энионов в электронике.