3. Квазичастица Экситон в полупроводнике - что это? Открытия Френкеля и Гросса с разницей в 20 лет.

Что происходит внутри кристалла, когда на него падает свет? Мы привыкли думать, что фотон просто выбивает электрон и в веществе начинает течь ток — это классический фотоэффект. Но на самом деле картина тоньше: электрон и оставленное им «пустое место» способны связаться друг с другом и образовать особую квазичастицу — экситон. Эта частица электрически нейтральна, поэтому свет поглотился, а тока может и не быть. В этом видео мы разбираемся, как физики предсказали и обнаружили экситоны, и почему связанная электронно-дырочная пара в кристалле по своему устройству повторяет спектр атома водорода. ------------------------------------------------------------------------------- Канал «Научная Тематика»! Поддержать канал Донатом🧧💰👇. Перевод на карту: Сбер: 4817 7601 3927 9347 Т-банк: 2200 7017 8811 7452 Сервисы раннего доступа, смотри видео раньше и поддержи канал: Подписка на Boosty • https://boosty.to/ivanovskiy/donate Подписка на VK_Donut • https://vk.com/donut/ivanovskiysergey Канал в соцсетях👇 Телеграм • https://t.me/ivanovskiysergey ВК • https://vk.com/ivanovskiysergey Дзен • https://dzen.ru/ivanovskiysergey Rutube •https://rutube.ru/video/person/30197834 ------------------------------------------------------------------------------- Разговор начинается с повторения главного из физики конденсированных сред: в кристалле атомы стоят строго периодически, а энергия электронов разбита на разрешённые и запрещённые зоны. Электроны последовательно заполняют состояния снизу вверх — до последней занятой валентной зоны. Выше идёт пустая зона проводимости, а между ними — запрещённая зона. Свет с достаточной энергией перебрасывает электрон через этот зазор, оставляя в валентной зоне дырку. Мы объясняем разницу между «пространственным перемещением» электрона и «изменением его энергии». Электрон описывается волновой функцией, и по теореме Блоха она устроена как бегущая волна, умноженная на периодическую блоховскую амплитуду. У валентной зоны и зоны проводимости эти амплитуды разные — где-то похожи на «гантельки» (p-орбитали), где-то на «шарики» (s-орбитали). Поэтому при поглощении фотона меняется прежде всего вид волновой функции и энергия, а не «прыжок» частицы в буквальном смысле. Для наглядности приводится живая аналогия с итальянской кофеваркой: вода снизу — заполненная валентная зона, зазор — запрещённая зона, пар наверху — зона проводимости. Центральная линия видео — история открытия. Сначала теоретик предсказывает связанное состояние электрона и дырки: их кулоновское притяжение удерживает пару вместе, а нейтральная пара не даёт фотопроводимости. Это экситон малого радиуса (несколько межатомных расстояний). Через несколько лет другие учёные рассматривают ту же задачу в приближении эффективной массы и получают экситон большого радиуса, чей спектр в точности повторяет водородный — с поправками на эффективную массу и экранировку среды. Разбираем, почему одинаковые уравнения дают одинаковые решения, и как эффективная масса связана с энергией связи и размером экситона. Дальше — эксперимент. В кристалле закиси меди спектроскопист с высочайшей точностью обнаруживает водородоподобную серию линий, сгущающихся по знакомой формуле. Мы обсуждаем «ридберговские» экситоны с огромными квантовыми числами, размером до микрона — макроскопический объект с квантовыми свойствами. И отдельно — драматичную судьбу открытия: почему отсутствие основного состояния (n=1) в спектре чуть не похоронило идею, как правила отбора и симметрия кристалла всё объяснили, и через какое сопротивление коллег проходило признание. 00:00 — Повтор: зоны, заполнение электронами, изоляторы и полупроводники 03:09 — Фотоэффект и фотопроводимость: свет как источник носителей заряда 06:20 — Энергия против положения: аналогия с электричкой и настроением пассажиров 07:48 — Волновая функция, теорема Блоха, «гантельки» и «шарики» 12:40 — Аналогия с кофеваркой: вода, зазор и пар как модель зон 15:06 — Может ли свет поглотиться без тока? Идея связанной пары 17:07 — Предсказание экситона малого радиуса 19:31 — Экситон большого радиуса и приближение эффективной массы 25:06 — Масштабы: арсенид галлия против закиси меди, радиус и энергия связи 34:24 — Эксперимент: водородоподобная серия в закиси меди 36:53 — Ридберговские экситоны размером до микрона 43:02 — Драма признания: где основное состояние и роль симметрии 53:39 — Что дальше: нанокристаллы и квантовые точки #физика #квантоваяфизика #научпоп #полупроводники #кристаллы