19.10.2019 г. Главная arrow Блог arrow Экситоны
         
Главное меню
Главная
Новости
Блог
Ссылки
Ленты новостей
Карта сайта
Фото камней
Гостевая
Общая информация
о камнях
походы и сплавы
Кристаллография
Сейсмика
Учебные пособия
Классификации
ювелирная
Словарь Куликова
Популярно о камнях
Камень в природе
Мертвая природа
История камня
Технические
Диковинки
Люди и камни
Тяжелое серебро
Минералог-любитель
Легенды и мифы
Об алмазах
Камни-талисманы
Полезные ископаемые
Нефть
Геология
 
 
Краткие новости
Экситоны Печать E-mail
Автор Administrator   
12.06.2009 г.

Экситоны
Остановимся теперь на физической природе экситонов — квазичастиц, появление которых обусловлено учетом корелляций в движении таких одночастичных образований, какими в зонной теории твердого тела являются электроны и дырки.
Предположение о существовании экситонов было впервые выдвинуто с целью объяснить эксперименты по поглощению света в диэлектриках, которые не могли быть истолкованы на основе зонной теории кристаллов. Именно, было обнаружено, что в диэлектриках световые ''кванты с энергией, близкой к ширине запрещенной энергетической зоны, отделяющей зону проводимости от валентной зоны, могут поглощаться не приводя к фотопроводимости.

Так как речь идет о диэлектрике, поглощение света должно переводить электрон из валентной зоны в зону проводимости, где переброшенный электрон может свободно двигаться. При этом в валентной зоне должна образоваться дырка.
Из этой простой картины следует, что поглощение должно начаться при энергии фотона, равной ширине запрещенной щели, что соответствует образованию дырки на верхнем краю валентной зоны и электрона на дне зоны проводимости. Однако в действительности во многих кристаллах были обнаружены дискретные линии поглощения, отвечающие энергиям фотонов, меньших ширины запрещенной зоны. Их появление обусловлено тем, что, благодаря притяжению между электроном и дыркой, в кристалле образуется связанная пара (электрон+дыр-ка). Такая пара, которая как раз и называется эксито-ном, может свободно двигаться через решетку. Возмож¬ные энергии экситона образуют дискретный спектр, с чем и связаны упомянутые выше дискретные линии поглощения света в кристаллах.
При аннигиляции электрона и дырки выделяется энергия, равная той самой энергии, которая идет на образование экситона. Поэтому экситон, перемещаясь, фактически переносит эту энергию электронного возбуждения. Ясно, что при этом перенос заряда отсутствует. Энергия экситона в идеальном кристалле может быть передана фононам, т. е. превратиться в тепло, либо может превратиться в энергию фотона, испущенного при исчезновении экситона. Однако, начиная с момента образования вплоть до момента гибели, экситон некоторое время живет, совершая в решетке хаотическое броуновское движение. Причиной, приводящей к изменению направления движения экситона, является столкновение с фононами или примесями. Если энергия возбуждения примеси меньше той энергии, которую несет экситон, то при столкновении экситона с примесью возможны случаи, когда экситон гибнет, а примесь переходит в возбужденное состояние. В дальнейшем такие процессы могут быть фиксированы по люминесценции, создаваемой примесными молекулами. Длина миграции экситона велика и может достигать в некоторых кристаллах величины порядка 0,1 ж/с.
Перенос энергии экситонами широко используется в сцинтилляционных счетчиках ядерных частиц. Кроме того, в настоящее время высказываются гипотезы, в соответствии с которыми перенес энергии экситонами играет фундаментальную роль в некоторых биологических процессах (А. Сент-Дьердьи).
Обсуждение свойств квазичастиц в кристаллах можно было бы продолжить. Здесь, однако, ограничимся лишь одним замечанием, которое следует из вышесказанного и состоит в следующем: квантовая механика в применении к кристаллам привела к совершенно новому понятию в физике — к понятию квазичастицы, которое гораздо шире, чем понятие элементарной частицы, и, кроме того, это новое фундаментальное понятие оказалось не абстрактным теоретическим понятием, а именно на нем основаны все те удивительные квантовые свойства, которые используются в новых квантовых приборах, таких, как лазеры, сверхпроводники, полупроводники и т. д.
Не следует думать, что в квантовой физике кристаллов уже все является совершенно ясным. В действительности в ней существует еще ряд неразрешенных проблем, среди которых одной из наиболее важных является проблема нахождения условий, при которых возникает энергетический спектр квазичастиц того или иного типа. Эти условия чрезвычайно важны, ибо только знание этих условий позволяет ответить на вопрос о том, как нам получить кристалл, который обладает нужными квантовыми свойствами.
Известно, что можно в зависимости от внешних условий перевести диэлектрик в металл и наоборот, т. е. можно менять энергетический  спектр кристалла. Но условия, при которых этот спектр существует, далеко не всегда ясны. Например, такой весьма важный вопрос о том, можно ли и каким образом получить сверхпроводник, скажем, при комнатной температуре, до сих пор неясен, т. е., другими словами, есть огромный круг  принципиальных и практических вопросов, которые остаются нерешенными. Заканчивая на этом обсуждение вопроса о квазичастицах, еще раз подчеркнем, что возможность их введения обусловлена трансляционной симметрией кристалла. Только при наличии этой симметрии можно рассматривать энергию квазичастиц как функцию квазиимпульса. В то же время в природе существуют твердые аморфные тела, где трансляционная симметрия отсутствует. В таких телах для электронов с длинами волн, сравнимыми с межатомными расстояниями, не существует состояний с определенными значениями квазиимпульса, и концепция квазичастиц в ее современном виде оказывается неприменимой. Поэтому одной из фундаментальных проблем теории твердого тела в настоящее время является разработка правильного подхода и адекватного способа квантового описания именно таких непериодических систем. Эти системы можно подразделить на два принципиально различных класса. Один из этих классов — так называемые неупорядоченные системы: аморфные тела, полимеры и твердые растворы или сплавы. У них нет пространственной периодичности, и поэтому представления квантовой механики относительно энергетического спектра кристаллов к ним непосредственно не применимы. Эти тела приобретают все большее значение в современной технике в качестве материалов. Однако квантовые их свойства еще очень неясны, и эта сторона, имеющая столь фундаментальное значение в кристаллофизике, остается полностью неразработанной и неиспользованной. Так, например, неясен до конца вопрос о том, возможно ли в полимерах явление сверхпроводимости.
Между тем характерные для этих тел особенности сил связи дают основание полагать, что полученные на их основе сверхпроводники могли бы обладать уникальными свойствами, и в первую очередь весьма высокой температурой разрушения сверхпроводимости.
Другой класс — упорядоченные макроскопические системы с очень высокой степенью организованности, но не обладающие пространственной периодичностью. Это биологические объекты.
Здесь задача оказывается значительно более сложной, так как частично известные и подлежащие физическому объяснению свойства таких систем очень непохожи на свойства других тел и имеют в некотором отношении другую основу. Выражаясь физическим языком, в таких системах возможны состояния возбуждения, которые, возникнув, непрерывно поддерживаются с помощью весьма сложных саморегулирующихся химических процессов за счет энергии, получаемой из внешней среды (обмен веществ в живом организме). Такая система функционирует в значительной мере как механизм со сложным аппаратом управления и сильной обратной связью. Элементами этого механизма являются отдельные молекулы или даже малые части гигантских молекул, и потому их квантовая природа может иметь решающее значение.
Как известно, законы термодинамики устанавливают стремление любой замкнутой системы к постепенному превращению всех упорядоченных и высокоорганизованных форм движения в беспорядочное тепловое движение. В биологических системах наряду с этой тенденцией существует и противоположная — развитие и стабилизация высокого уровня организации в течение жизни организма. Этот уровень организации передается, как эстафета, при воспроизведении и совершенствуется в процессе эволюции. Законы возникновения и развития таких высокоорганизованных форм материи также должны вытекать из основных законов природы, и задача науки — установить причины и проследить механизм появления таких законов. Это означает, что нужно ответить не только на вопрос, как происходит это сложнейшее явление, но и на вопрос, почему оно происходит, и тем самым получить возможность им управлять.
Все известные явления на атомно-молекулярном уровне энергий с огромной точностью описываются законами квантовой механики. Разумеется, в применении к достаточно сложным системам эти законы приобретают качественно новую форму, порождают новые понятия и новые проблемы. Все это полностью относится и к биологическим объектам, как к своеобразным разновидностям конденсированного состояния вещества.
Огромные успехи биохимии и молекулярной биологии последнего времени подтверждают такую точку зрения. Сейчас впервые появляется возможность атаки фундаментальнейшей из проблем науки — проблемы жизни — одновременно с двух сторон — со стороны биологии и биохимии и со стороны физики и биофизики. Линия смыкания этих направлений лежит на молекулярном уровне. Другим важным фактором, объединяющим эти подходы, являются идеи и понятия кибернетики — науки о переработке информации и о процессах управления. Для столь сложного механизма, как биологический объект, эти понятия имеют также фундаментальное значение. Важность этой задачи трудно переоценить, и нет сомнения, что это направление в естественных науках должно на долгие годы стать их столбовой дорогой.

 

Добавить комментарий

:D:lol::-);-)8):-|:-*:oops::sad::cry::o:-?:-x:eek::zzz:P:roll::sigh:
Жирный Цитата


След. »
 
 
 
         
 
Design by Камни
Rambler's Top100