Ванье - Мотта экситон

ВАНЬЕ-МОТТА ЭКСИТОН, квазичастица в полупроводнике, представляющая собой связанное состояние электрона и дырки, возникающее в результате кулоновского взаимодействия. Введён швейцарским физиком Г. Ванье (1937) и независимо Н. Моттом (1938). Ванье-Мотта экситон можно рассматривать как водородоподобный квазиатом. Ещё более точной является аналогия со связанным состоянием электрона и позитрона - позитронием, поскольку Ванье-Мотта экситон нестабилен, то есть имеет конечное время жизни. Образующие Ванье-Мотта экситон электрон и дырка могут рекомбинировать (аннигилировать), испуская при этом фотон, обычно за время порядка 10^-5-10^-7 с.

Энергию связи и эффективный радиус r Ванье-Мотта экситона можно оценить по формулам Бора для атома водорода. Вследствие того, что эффективные массы электрона и дырки отличаются от массы свободного электрона и что кулоновское взаимодействие электрона и дырки в кристалле ослаблено средой с диэлектрической проницаемостью ε, r может в сотни раз превосходить размеры элементарной ячейки кристалла. Поэтому Ванье-Мотта экситон часто называют экситоном большого радиуса. Энергия связи Ванье-Мотта экситона в полупроводниках на два-три порядка меньше, чем энергия связи электрона и протона в атоме водорода, поэтому Ванье-Мотта экситон в полупроводниках существуют при низких температурах. С ростом температуры вследствие взаимодействия Ванье-Мотта экситона с колебаниями решётки происходит их диссоциация - распад на электрон и дырку.

При больших концентрациях Ванье-Мотта экситона наблюдаются так называемая металлизация экситонов с образованием электронно-дырочных капель и другие явления, обусловленные взаимодействием квазичастиц (смотри Электронно-дырочная жидкость). При малых концентрациях Ванье-Мотта экситона, состоящий из двух фермионов (электрона проводимости и дырки), можно рассматривать как бозон. Следовательно, возможна Бозе - Эйнштейна конденсация экситонов (накопление большого числа экситонов на наинизшем энергетическом уровне), которая может привести к существованию в кристалле незатухающих потоков энергии. Однако в отличие от сверхтекучего жидкого гелия или сверхпроводников, сверхтекучий поток экситонов ограничен временем жизни экситона.

Лит.: Агранович В. М., Гинзбург В. Л. Кристаллооптика с учетом пространственной дисперсии и теория экситонов. 2-е изд. М., 1979.