Кіріспе

Конденсацияланған материя физикасындағы квазибөлшектер – ойдан шығарылған бөлшектер. Поларон – қатты материалдағы электрондар мен атомдар арасындағы өзара әрекеттесуді түсіну үшін конденсацияланған материя физикасында қолданылатын квазибөлшек. Поларон тұжырымдамасын Лев Ландау 1933 жылы және Соломон Пекар 1946 жылы диэлектрлік кристалда қозғалатын электронды сипаттау үшін ұсынды, онда атомдар тепе-теңдік күйінен ығысып, электрон зарядын тиімді түрде қоршайды, бұл «фонон бұлты» деп аталады. Бұл электронның қозғалмалылығын төмендетеді және электронның тиімді массасын арттырады. Поларонның жалпы түсінігі металдардағы электрондар мен иондар арасындағы байланысқан күйге немесе өзара әрекеттеспейтін жүйеге қарағанда энергияның төмендеуіне әкелетін басқа да өзара әрекеттесулерді сипаттау үшін кеңейтілді. Басты теориялық жұмыстар Фролих және Холштейн гамильтондарын шешуге бағытталған. Үлкен кристалл тордағы бір немесе екі электрон үшін нақты сандық шешімдерді табу және көптеген өзара әрекеттесетін электрондардың жағдайын зерттеу бұл саланың әлі де белсенді зерттелуіне себеп болып табылады. Эксперименттік тұрғыдан алғанда, полярондар көптеген материалдарды түсіну үшін маңызды. Жартылай өткізгіштердегі электронның қозғалмалылығы поляронның пайда болуынан айтарлықтай төмендеуі мүмкін. Органикалық жартылай өткізгіштер поляроникалық әсерлерге де сезімтал, бұл зарядты тиімді тасымалдайтын органикалық күн элементтерін жобалауда ерекше маңызды. Поларондар сондай-ақ осы типтегі материалдардың оптикалық өткізгіштігін түсіндіру үшін де маңызды. Фермиондық квазибөлшек болатын поларонды, фотон мен оптикалық фонон арасындағы гибридтік күйге ұқсас бозондық квазибөлшек – поляртонмен шатастыруға болмайды.

Екі өлшемді және квази-2D құрылымдағы полярлар

Екі өлшемді электрондық газды (2DEG) зерттеуге жоғары қызығушылық таныту поляронның екі өлшемдегі қасиеттерін зерттеуге көптеген зерттеулердің туындауына себеп болды. 2D полярондық жүйеге арналған қарапайым модель жазықтықта шектелген электроннан тұрады, ол 3D қоршаған ортаның LO фонондарымен Фрелих өзара әрекеттесуі арқылы өзара әрекеттеседі. Мұндай 2D поляронның өзіндік энергиясы мен массасы енді 3D-де қолданылатын формулалармен сипатталмайды; әлсіз байланыс жағдайында оларды былайша жуықтауға болады:

Көрсетілгендей, 2D және 3D поляронның физикалық қасиеттерін байланыстыратын қарапайым масштабтау қатынастары бар. Мұндай масштабтау қатынасының мысалы:

2D жүйелерде циклотрондық резонанс полярондық эффектілерді зерттеу үшін ыңғайлы құрал болып табылады. Электрондық энергия деңгейлерінің параболалық еместігі, көп денелі эффектілер, шектеу потенциалының сипаты және т.б. сияқты басқа да факторларды ескеру қажет болса да, полярондық эффект циклотрон массасында анық көрінеді. Қызықты 2D жүйесі – сұйық гелий қабаттарындағы электрондар. Бұл жүйеде электрондар сұйық гелийдің рипплондарымен байланысып, «рипплополарон» құрайды. Тиімді байланыс салыстырмалы түрде күшті болуы мүмкін және кейбір параметрлерде өзін-өзі тұтқындау пайда болуы мүмкін. Ұзын толқынды ұзындықтардағы рипплон дисперсиясының акустикалық сипаты тұтқындаудың маңызды аспектісі болып табылады. GaAs/AlxGa1−xAs кванттық құдықтары мен суперрешеттері үшін полярондық эффект төмен магниттік өрістерде беткей донорлық күйлердің энергиясын төмендетіп, жоғары магниттік өрістерде энергияның резонанстық айырылуына әкеледі. Мұндай полярондық жүйелердің энергия спектрлері, мысалы, D0 және D− орталықтары, әдебиетте жүзеге асырылған ең толық және егжей-тегжейлі полярон спектроскопиясын құрайды. Жеңіл электрондық тығыздығы жеткілікті жоғары GaAs/AlAs кванттық құдықтарында циклотрондық резонанс спектрлерінің GaAs LO фонондық жиілігінің орнына GaAs көлденең оптикалық (TO) фонондық жиілігінің жанында антикрестке түсуі байқалды. Бұл TO фонондық жиілігі маңындағы антикрест полярон теориясы шеңберінде түсіндірілді. Оптикалық қасиеттерден басқа, поляронның өзін-өзі тұтқындау мүмкіндігі, полярон тасымалы, магнитофондық резонанс және т.б. сияқты көптеген басқа физикалық қасиеттері де зерттелді.

Полярон тұжырымдамасының кеңейтілуі

Полярон тұжырымдамасының кеңейтілуі де маңызды: акустикалық полярон, пьезоэлектрлік полярон, электрондық полярон, байланысқан полярон, тұтқынға түскен полярон, спиндік полярон, молекулалық полярон, ерітілген полярон, полярондық экситон, Яхн-Теллер поляроны, кішкентай полярон, биполярон және көптеген полярондық жүйелер. Жартылай өткізгіш наноқұрылымдар үшін полярон тұжырымдамасының жаңа аспектісі зерттелді: экситон-фонон күйлері адиабатикалық көбейту түрінде факторланбайды, сондықтан адиабатикалық емес қарастыру қажет. Экситон-фонон жүйелерінің адиабатикалық еместігі, фононмен шақырылған өту ықтималдығының күшеюіне (адиабатикалық түрде қарастырылғандармен салыстырғанда) және электрон-фонон байланыс тұрақтысының шағын мәндерінде де, әдеттегі жартылай өткізгіш наноқұрылымдардағыдай, Франк-Кондон прогрессиясынан едәуір өзгеше болатын көпфононды оптикалық спектрлерге алып келеді. Бозе-Эйнштейн конденсатындағы қоспаның жүйесі де полярон отбасының мүшесі екені көрсетілді. Бұл, осы уақытқа дейін қолжетімсіз болған күшті байланыс режимін зерттеуге мүмкіндік береді, себебі өзара әрекеттесу күштерін Фешбах резонансын қолдану арқылы сыртқы түрде реттеуге болады. Бұл жайтты екі зерттеу тобы тәжірибе жүзінде растады. Бозе-Эйнштейн конденсатында поляронның болуы, тартымды және тебу әсерлері үшін, соның ішінде күшті байланыс режимінде көрсетілді және динамикалық түрде байқалды.