ექსიტონი

ექსიტონი — მყარი სხეულების ფიზიკაში ერთ-ერთი კვაზინაწილაკი. როდესაც იზოლატორებში ან ნახევარგამტარებში ელექტრონი სავალენტო ზონიდან გადადის გამტარობის ზონაში, გამტარობის ზონაში ტოვებს ხვრელს. ხვრელსა და ელექტრონს შორის ჩნდება ელექტროსტატიკური მიზიდულობა. ამ მიზიდულობის შედეგად ელექტრონი და ხვრელი ქმნიან ბმულ მდგომარეობას. ამ ელექტრონ-ხვრელის წყვილს ექსიტონი ეწოდება.

ვანიერის ექსიტონი

ექსიტონების კლასიფიკაცია ხდება ელექტრონ-ხვრელს შორის ურთიერთქმედების სიძლიერის მიხედვით. როდესაც ექსიტონის ბმის ენერგია 0.1 ელექტრონვოლტზე ნაკლებია გვაქვს ვანიერის ექსიტონი. ამ ტიპის ექსიტონი ჩნდება ტიპურ ნახევარგამტარებში. ამ შემთხვევაში ელექტრონსა და ხვრელს შორის მანძილი ატომებს შორის მანძილზე გაცილებით დიდია. ამიტომ შეგვიძლია ჩავთვალოთ რომ მათ შორის არსებობს ერთგავროვანი დიელექტრიკული გარემო. ელექტრონი და ხვრელი ქმნიან წყალბადის ატომის მსგავს სისტემას, რომელთა შორის ურთერთქმედება ეკრანირებულია დიელექტრიკული გარემოს მიერ. წყალბადის ატომის მოდელის ფარგლებში ექსიტონის ენერგია შეგვიძლია დავითვალოთ შემდეგნაირად:

$E_{n}=-{\frac {\mu }{m_{e}}}{\frac {R}{\epsilon ^{2}n^{2}}}$

სადაც $R$ არის რიდბერგის მუდმივა, რომელიც დაახლოებით უდრის 13.6 ელექტრონვოლტს. $\mu$ არის ელქტრონ-ხვრელის წყვილის დაყვანილი მასა. ნახევარგამტარებისთვის ეს არის 0.1 ელექტრონის მასის რიგის. $m_{e}$ არის ელექტრონის მასა, $\epsilon$ გარემოს მაღალსიხშირული დიელექტრიკული კონსტანტაა, ხოლო $n$ - ნატურალური რიცხვი. ტიპური ვანიერის ექსიტონის ბმის ენერგია ოთახის ტემპერატურაზე სითბური ენერგიის რიგისაა, 0.025 ელექტრონვოლტი.ამიტომ ასეთი ექსიტონი არ არის სტაბილური. სითბური მოძრაობის შედეგად მუდმივად ექსიტონი იშლება და ახალი ექსიტონი იქმნება.

ფრენკელის ექსიტონი

როდესაც ექსიტონის ბმის ენერგია ოთახის ტემპერატურაზე სითბურ ენერგიაზე გაცილებით დიდია, ელექტრონ-ხვრელის წყვილი ქმნიან სტაბილურ მდომარეობას. ამ ტიპის ექსიტონს ფრენკელის ექსიტონი ეწოდება. მათი ტიპური ენერგია არის 0.1 დან 1 ელექტრონვოლტამდე. მათი ურთიერთქმედება კრისტალის ატომებზეც ახდენენ გავლენას და იწვევენ დეფორმაციას, შესაბამისად ქმნიან დეფექტს. ხშირად იწვევენ კრისტალში ბმების გაწყვეტას. ამისი ერთ-ერთი მაგალითია სილიცუმის ოქსიდი. ფრენკელის ექსიტონის აღსაწერად მარტივი წყალბადის მოდელი არ გამოდგება, რადგანაც ექსიტონის ზომა ატომებს შორის მანძილის რიგისაა. ფრენკელის ექსიტონი ხშირად ჩნდება დიდი ოპტიკური ღრეჩოს და მცირე დიელექტრიკული კონსტანტის მქონე იზოლატორებში.

წყარო

• Mark Fox, Optical Properties of Solids, Oxford University Press 2001.
• W. Y. Liang 1970 Phys. Educ. 5 226, [1]
• S. Ismail-Beigi1 and S. G. Louie, Phys. Rev. Lett. 95, 156401 (2005) [2]