Excitón

Excitón

Un excitón és una cuasipartícula (o excitació elemental) dels sòlits formada per un electró i un buit lligats a través de l'interacció coulombiana. Es dona únicament en semiconductorés i aïllants.

Una forma d'entendre la formació del excitón és la següent: un fotó alcança un semiconductor, excitant un electró des de la banda de valència a la banda de conducció. El buit que deixa tras de sí l'electró en la banda de valència, en tindre càrrega oposta, interacciona en ell, atraent-ho a través de la força de Coulomb, de manera que queden lligats l'u a l'atre. El sistema que resulta de dit víncul és justament el excitón, i posseïx una energia llaugerament menor que la d'un electró i un buit lliures.

Ya que este sistema és similar al que formen, en els àtoms hidrogenoides, l'electró i el núcleu, el seu funció d'ona també serà hidrogenoide. No obstant, l'energia de lligam és molt menor, i el seu tamany molt major que els de l'àtom d'hidrogen, pels efectes de apantallamiento (que es traduïx en una permitividad dielèctrica major que la del buit) i a la massa efectiva de l'electró i el buit, que són característics del material.

En un àtom d'hidrogen el núcleu i l'electró poden tindre l'espin paralel o antiparalelo, i lo mateix li succeïx al excitón.

El concepte de excitones va ser propost per primera volta per Yakov Frenkel en 1931, quan va descriure l'excitació dels àtoms en una ret d'aïllants. Va propondre que este estat excitat seria capaç de viajar d'una manera similar a les partícules a través de la ret sense transferència neta de càrrega.

Subtipos

Els excitones poden classificar-se atenent a dos casos llímits, que depenen de les propietats del material en qüestió:

• Excitón de Mott-Wannier : En semiconductors, la permitividad dielèctrica és, en general, gran i per tant el apantallamiento tendix a reduir l'interacció coulombiana entre els electrons i els buits. El resultat és un excitón de Mott-Wannier, que té un radi molt major que el paràmetro de ret del material. Açò fa que l'efecte del potencial cristalí dega ser incorporat en el càlcul de les masses efectives de l'electró i el buit, que seran per tant menors. Per açò i al apantallamiento de l'interacció coulombiana, l'energia de lligam d'estos excitones sol ser molt menor que la de l'àtom d'hidrogen, típicament de l'orde de 0,1 eV. Este tipo de excitón li deu el seu nom als físics Sir Nevill Francis Mott i Gregory Wannier.

• Excitón de Frenkel: Quan la permitividad dielèctrica del material és molt menuda, llavors l'interacció coulombiana entre l'electró i el buit es torna molt fort i els excitones tendixen a ser molt menors, de l'orde del tamany la cela unitat, per lo que l'electró i el buit queden emplaçats en la mateixa cela. Este excitón de Frenkel, nomenat aixina pel físic Yakov Frenkel, té una energia de lligam típica de l'orde d'1,0 eV.

Alternativament, un excitón pot considerar-se com un estat excitat d'un àtom o ion que vaga d'una cela de la ret cristalina a una atra.

A sovint hi ha més d'una banda tant per a l'electró com per al buit, lo que dona lloc a diferents tipos de excitones dins d'un mateix material. Inclús poden usar-se bandes d'alta energia per a la formació de excitones, com es demostra en experiments d'absorció de dos fotons de femtosegundos.

Dinàmica

La provabilitat de que un parell electró-buit es recombine (l'electró passe a ocupar el buit) està llimitada per la dificultat que supon per al parell la pèrdua de l'excés d'energia que conté, per lo que els excitones tenen una vida mija relativament llarga (s'han aplegat a observar vides miges superiors a varis milisegons en òxit cuproso Cu${}_2$O). S'han propost múltiples mecanismes de desexcitación excitónica, entre els quals hi ha dos d'especial importància. El primer consistix en el malbarat de l'energia del excitón a través de la seua interacció en fonones. El segon és a través de la desexcitación radiativa, en la que l'energia sobrera és cedida en forma de radiació electromagnètica. En general actua una combinació d'abdós processos.

Un atre factor limitante en la provabilitat de recombinació és el solapamiento espacial de les funcions d'ona de l'electró i el buit. Este solapamiento és menor per als electrons i buits més llaugers i per a estats molt excitats.

Ademés, els excitones poden moure's a través del sòlit. En esta energia cinètica adicional l'energia total del excitón pot superar a la del gap. Els excitones que es propaguen a través de cristals moleculars són uns dels de major interés.