半導體晶體中發現的新型準粒子

2020-12-06 科學網

論文標題：Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in semiconductors

期刊：Communications Physics

作者：C. Nenstiel, G. Callsen, et al

發表時間： 2018/07/26

數字識別碼：10.1038/s42005-018-0033-4

原文連結：https://www.nature.com/articles/s42005-018-0033-4?utm_source=Other_website&utm_medium=Website_links&utm_content=RenLi-Nature-Communications_Physics-Physics-China&utm_campaign=NEWCOMMS_USG_JRCN_RL_semiconductor_sciencenet_article_1st_Aug

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《通訊-物理》發表的一篇論文Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in semiconductors描述了一種在高質量半導體晶體中發現的新型準粒子——Collexon。可以印證準粒子存在的材料會表現出獨特的光學特徵和不同尋常的物理特性，這些特點對基礎科學和應用科學都很重要。

圖1：通過光致發光監測激子類複合體的穩定化。圖源：Nenstiel et al.

在由許多不同粒子組成的微觀複雜系統（如固體材料）中，每個粒子的運動都是複雜的，是該粒子與周圍粒子之間的各種強烈相互作用的產物。為了可以更簡單地了解這些系統的行為和特性，物理學家重新構想了固體，想像它們包含的是在自由空間中弱相互作用的粒子。這些「準粒子」具有不同的類型，可以帶來有關材料特性的不同認知。

德國柏林工業大學的Christian Nenstiel及其同事將氮化鎵半導體晶體中的原子替換為鍺原子，他們在維持原始晶體結構的同時，實現了高濃度的原子取代。然而，這樣的原子取代改變了晶體的物理特性——增加了固體中自由電子的濃度。通過分析這些經過特殊處理的晶體對光的吸收和發射，作者觀察到了他們認為是Collexon的穩定性隨著電子氣密度的上升而上升的現象。他們認為這可能是所有半導體的標準特性——只要能夠實現相同水平的原子取代即可。

圖2：費米海中的Collexon激發。圖源：Nenstiel et al.

如果這些發現可以得到理論研究的支持，那麼Collexon可以被認為是半導體材料具有的共同特徵。半導體是現代技術的基礎，提高我們對其電子結構的理解，既有益於理論研究，也有益於應用研究。

摘要：Excitons in semiconductors and insulators consist of fermionic subsystems, electrons and holes, whose attractive interaction facilitates bound quasiparticles with quasi-bosonic character. In the presence of a degenerate electron gas, such excitons dissociate due to free carrier screening. Despite their absence, we found pronounced emission traces in the below-band-edge region of bulk, germanium-doped GaN up to a temperature of 100 K, mimicking sharp spectral features at high free electron concentrations (3.4E19–8.9E19 cm−3). Our interpretation of the data suggests that a degenerate, three-dimensional electron gas stabilizes a novel class of quasiparticles, which we name collexons. These many-particle complexes are formed by exchange of electrons with the Fermi gas. The potential observation of collexons and their stabilization with rising doping concentration is enabled by high crystal quality due to the almost ideal substitution of host atoms with dopants.

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（來源：科學網）

 

 

 

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