Полярон: квазичастица в физике конденсированного состояния
Polaron
Полярон в физике твердого тела: квазичастица, описывающая взаимодействие электронов и атомов в кристаллах. Снижение подвижности, увеличение массы электрона.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Квазичастица в физике конденсированного состояния – вымышленная частица.
Quasiparticle in condensed matter physics
the fictional particle
Поларон – квазичастица, используемая в физике конденсированного состояния для понимания взаимодействий между электронами и атомами в твердом материале. Концепция полярона была предложена Львом Ландау в 1933 году и Соломоном Пекаром в 1946 году для описания электрона, движущегося в диэлектрическом кристалле, где атомы смещаются из своих положений равновесия, чтобы эффективно экранировать заряд электрона, образуя так называемое фононное облако. Это снижает подвижность электрона и увеличивает его эффективную массу. Общая концепция полярона была расширена для описания других взаимодействий между электронами и ионами в металлах, приводящих к образованию связанного состояния или снижению энергии по сравнению с не взаимодействующей системой. Основные теоретические работы были посвящены решению гамильтонианов Фролиха и Холштейна. Это по-прежнему активная область исследований, направленная на поиск точных численных решений для случая одного или двух электронов в большой кристаллической решетке, а также на изучение случая множества взаимодействующих электронов. Экспериментально поляроны важны для понимания широкого спектра материалов. Образование поляронов может значительно уменьшить подвижность электронов в полупроводниках. Органические полупроводники также чувствительны к поляронным эффектам, что особенно важно при разработке органических солнечных элементов, эффективно транспортирующих заряд. Полароны также играют важную роль в интерпретации оптической проводимости этих материалов. Поларон, являясь фермионной квазичастицей, не следует путать с поляртоном – бозонной квазичастицей, аналогичной гибридному состоянию между фотоном и оптическим фононом.
A polaron is a quasiparticle used in condensed matter physics to understand the interactions between electrons and atoms in a solid material. The polaron concept was proposed by Lev Landau in 1933 and Solomon Pekar in 1946 to describe an electron moving in a dielectric crystal where the atoms displace from their equilibrium positions to effectively screen the charge of an electron, known as a phonon cloud. This lowers the electron mobility and increases the electron's effective mass. The general concept of a polaron has been extended to describe other interactions between the electrons and ions in metals that result in a bound state, or a lowering of energy compared to the non interacting system. Major theoretical work has focused on solving Fröhlich and Holstein Hamiltonians. This is still an active field of research to find exact numerical solutions to the case of one or two electrons in a large crystal lattice, and to study the case of many interacting electrons. Experimentally, polarons are important to the understanding of a wide variety of materials. The electron mobility in semiconductors can be greatly decreased by the formation of polarons. Organic semiconductors are also sensitive to polaronic effects, which is particularly relevant in the design of organic solar cells that effectively transport charge. Polarons are also important for interpreting the optical conductivity of these types of materials. The polaron, a fermionic quasiparticle, should not be confused with the polariton, a bosonic quasiparticle analogous to a hybridized state between a photon and an optical phonon.
Полароны в двух измерениях и в квази-2D структурах
Большой интерес к изучению двумерного электронного газа (2DEG) также привел к многочисленным исследованиям свойств поляронов в двух измерениях. Простая модель для 2D-поларонной системы состоит из электрона, локализованного в плоскости, взаимодействующего посредством взаимодействия Фрелиха с продольными оптическими (LO) фононами окружающего трехмерного (3D) окружения. Самоэнергия и масса такого 2D-полярона больше не описываются выражениями, справедливыми для 3D; при слабом взаимодействии их можно аппроксимировать следующим образом:
The great interest in the study of the two dimensional electron gas (2DEG) has also resulted in many investigations on the properties of polarons in two dimensions. A simple model for the 2D polaron system consists of an electron confined to a plane, interacting via the Fröhlich interaction with the LO phonons of a 3D surrounding medium. The self energy and the mass of such a 2D polaron are no longer described by the expressions valid in 3D; for weak coupling they can be approximated as:
Было показано, что существуют простые соотношения масштабирования, связывающие физические свойства поляронов в 2D и 3D. Примером такого соотношения является:
It has been shown that simple scaling relations exist, connecting the physical properties of polarons in 2D with those in 3D. An example of such a scaling relation is:
В 2D-системах циклотронный резонанс является удобным инструментом для изучения поляронных эффектов. Хотя необходимо учитывать ряд других эффектов (непараболичность электронных зон, эффекты многочастичности, характер ограничивающего потенциала и т. д.), поляронный эффект отчетливо проявляется в циклотронной массе. Интересной 2D-системой являются электроны в пленках жидкого гелия. В этой системе электроны взаимодействуют с рипплонами жидкого гелия, образуя "рипплополяроны". Эффективное взаимодействие может быть относительно сильным, и при некоторых значениях параметров может происходить самозахват. Акустический характер дисперсии рипплонов на больших длинах волн является ключевым аспектом захвата. Для квантовых ям и сверхрешеток GaAs/AlxGa1−xAs поляронный эффект приводит к уменьшению энергии мелких донорных состояний при низких магнитных полях и к резонансному расщеплению энергий при высоких магнитных полях. Энергетические спектры таких полярных систем, как мелкие доноры ("связанные поляроны"), например, центры D0 и D−, представляют собой наиболее полную и детальную полярную спектроскопию, представленную в литературе. В квантовых ямах GaAs/AlAs с достаточно высокой концентрацией электронов наблюдалось антипересечение циклотронных резонансных спектров вблизи частоты поперечного оптического (TO) фонона GaAs, а не вблизи частоты продольного оптического (LO) фонона GaAs. Это антипересечение вблизи частоты TO-фонона было объяснено в рамках теории поляронов. Помимо оптических свойств, исследовались многие другие физические свойства поляронов, включая возможность самозахвата, транспорт поляронов, магнитофонный резонанс и т.д.
Also in 2D systems cyclotron resonance is a convenient tool to study polaron effects. Although several other effects have to be taken into account (nonparabolicity of the electron bands, many body effects, the nature of the confining potential, etc. ), the polaron effect is clearly revealed in the cyclotron mass. An interesting 2D system consists of electrons on films of liquid He. In this system the electrons couple to the ripplons of the liquid He, forming "ripplopolarons". The effective coupling can be relatively large and, for some values of the parameters, self trapping can result. The acoustic nature of the ripplon dispersion at long wavelengths is a key aspect of the trapping. For GaAs/AlxGa1−xAs quantum wells and superlattices, the polaron effect is found to decrease the energy of the shallow donor states at low magnetic fields and leads to a resonant splitting of the energies at high magnetic fields. The energy spectra of such polaronic systems as shallow donors ("bound polarons"), e. g., the D0 and D− centres, constitute the most complete and detailed polaron spectroscopy realised in the literature. In GaAs/AlAs quantum wells with sufficiently high electron density, anticrossing of the cyclotron resonance spectra has been observed near the GaAs transverse optical (TO) phonon frequency rather than near the GaAs LO phonon frequency. This anticrossing near the TO phonon frequency was explained in the framework of the polaron theory. Besides optical properties, many other physical properties of polarons have been studied, including the possibility of self trapping, polaron transport, magnetophonon resonance, etc.
Расширения концепции полярных соединений
Значимы также расширения концепции полярона: акустический полярон, пьезоэлектрический полярон, электронный полярон, связанный полярон, захваченный полярон, спиновый полярон, молекулярный полярон, сольватированные поляроны, поляронный экситон, полярон Джана-Теллера, малый полярон, биполяроны и множество поляронных систем. Новый аспект концепции полярона был исследован для полупроводниковых наноструктур: состояния экситон-фонона не поддаются факторизации в адиабатическое произведение, что требует неадиабатического подхода. Неадиабатичность экситон-фононных систем приводит к существенному увеличению вероятностей фонон-зависимых переходов (по сравнению с адиабатически обработанными) и к мультифононным оптическим спектрам, значительно отличающимся от прогрессии Франка-Кондона даже при малых значениях константы электрон-фононного взаимодействия, что характерно для типичных полупроводниковых наноструктур. Показано, что система примеси в конденсате Бозе-Эйнштейна также относится к семейству поляронов. Это позволяет исследовать ранее недоступный режим сильного взаимодействия, поскольку силы взаимодействия могут быть внешне настроены с помощью резонанса Фешбаха. Это было недавно реализовано экспериментально двумя исследовательскими группами. Существование полярона в конденсате Бозе-Эйнштейна было продемонстрировано как для притягательных, так и для отталкивающих взаимодействий, включая режим сильного взаимодействия и динамически наблюдалось.
Significant are also the extensions of the polaron concept: acoustic polaron, piezoelectric polaron, electronic polaron, bound polaron, trapped polaron, spin polaron, molecular polaron, solvated polarons, polaronic exciton, Jahn Teller polaron, small polaron, bipolarons and many polaron systems. A new aspect of the polaron concept has been investigated for semiconductor nanostructures: the exciton phonon states are not factorizable into an adiabatic product Ansatz, so that a non adiabatic treatment is needed. The non adiabaticity of the exciton phonon systems leads to a strong enhancement of the phonon assisted transition probabilities (as compared to those treated adiabatically) and to multiphonon optical spectra that are considerably different from the Franck–Condon progression even for small values of the electron phonon coupling constant as is the case for typical semiconductor nanostructures. It has been shown that the system of an impurity in a Bose–Einstein condensate is also a member of the polaron family. This allows the hitherto inaccessible strong coupling regime to be studied, since the interaction strengths can be externally tuned through the use of a Feshbach resonance. This was recently realized experimentally by two research groups. The existence of the polaron in a Bose–Einstein condensate was demonstrated for both attractive and repulsive interactions, including the strong coupling regime and dynamically observed.