самому юга, яв-щество-эму ко-)пытал-ые зна-пьного сим ца-гасная» ва. Той вел пе-знь на-
родол-льской рован-<ой ус-■1НОГИХ
основанный 'й пес-сского селен-
зНОСТЬ
энные
льной
тори-
ггель-
атика
ихаил
~лово
.IX, от
эво о
авдя-
ял на
занее
ю то-
в за-<аде-ютке уси-гра-
:ким нию :гов
BL¡ie •i но в т.).
IН Ии
'{U Я ЮМ
ИГРА СВЕТА
В КРИСТАЛЛАХ
Академик Б.П. ЗАХАРЧЕНЯ,
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН
Свет, попадая в кристалл, вызывает множество эффектов. Они важны не только для чистой физики, расширяющей наше понимание природы, но и для решения прикладных задач. Например: фотогальванические процессы; дискретное рассеяние света на колебаниях кристаллической решетки; лазерное излучение, впервые наблюдавшееся на кристалле рубина; превращение лавины электронов в полупроводниках и полупроводниковых микроструктурах в поток когерентного «лазерного» луча; способность поляризованного света намагничивать электроны и ядра в кристалле... Одному из явлений этого ряда посвящена данная статья.
В кристалле световой луч порождает квазичастицы экситоны. Почему не настоящие, а «ква-зи», т.е. «приблизительно», «как бы» частицы? Потому, что они существуют только в нем, а не в вакууме, и движутся в периодически меняющемся поле, создаваемом атомами (ионами) его решетки. В кристаллической среде и электрон — тоже квазичастица.
Идея экситона посетила известного ленинградского ученого из Физико-технического института, члена-корреспондента АН СССР Я.И. Френкеля в 193I г. Опуская детали, требующие знания не только квантовой физики, но и истории ее развития, скажу лишь: френкелевский экситон — это возбужденное состояние кристаллической решетки, которое создает, например, свет. Возникнув водной из ее ячеек, которые абсолютно ничем не отличаются друг от друга, оно распространяется по нему. Такое явление физики называют трансляционной симметрией.
Слово «эксотон» придумал Френкель, образовав его от греческого «éxito» — «возбуждаю». Любил Яков Ильич давать имена новым частицам, даже предложил название для колебательного кванта решетки кристалла, окрестив его фононом (кстати, немногие специалисты знают, что авто-
ром этого вошедшего в физику термина был именно он). Когда Френкель сделал доклад об экситоне в родном Физико-техническом институте, один из молодых сотрудников не сдержался и пошутил:
— А почему бы не назвать частицу по-русски: «возбудон»?
От электрона, который также мо-жетбыть возбужден светом в кристалле, экситон отличается тем, что он электрически нейтрален. Вот почему при движении переносит энергию, но не заряд. В этом отношении он подобен атому, однако в отличие от него рожден светом внутри кристалла. Модель такого квазиатома особенно наглядна в полупроводниках, где его можно представить как связанные кулоновским взаимодействием электрон и положительно заряженную дырку. Очень похоже на дираковскую пару электрон и позитрон, существование которой вытекало из уравнения нобелевского лауреата (1933 г), иностранного члена-корреспондента АН СССР П. Дирака, написанного с учетом релятивистской инвариантности и открывшего человечеству существование античастиц. Думаю, что именно под влиянием идей этого великого физика англичанин Н. Мотт (будущий лауреат Нобелевской премии 1977 г.) и американец Г. Ванъе
Наука в России №3, 2003
h\ |572.17 nm
n = 2
предложили модель экситона, аналогичную атому позитрония (электрон и позитрон, удерживаемые кулонов-скими силами). Обычно такой экси-тон называют водородоподобным, имея в виду его сходство с атомом водорода (положительно заряженное ядро и электрон, вращающийся вокруг него). Но дырка все же не ядро, ее масса в десятки сотен раз меньше, чем у протона.
Ванье и Мотг свою модель продумали еще перед Второй мировой войной, когда понятие дырки пришло в физику полупроводников из электрических измерений, не таких уж точных в го время. К середине 50-х годов две группы исследователей из Беркли и Массачусетсского технологического института (США) красивыми экспериментами по циклотронному резонансу доказали существование нескольких типов дырок, имеющих сложные энергетические спектры в кристалле; соответственно, и эксито-ны встречаются разные. Они могут быть связаны либо с легкой, либо с тяжелой дыркой, что и наблюдалось впоследствии.
Опыты по циклотронному резонансу по техническому исполнению очень похожи на эксперименты академика Е.К. Завойского, в конце Великой Отечественной войны открывшего в Казанском университете знаменитое физическое явление — «парамагнитный резонанс».
Как я уже писал, электрон и дырка связаны кулоновским взаимодействием — физики называют его дально-действующнм. Поскольку потенциал взаимодействия обратно пропорционален первой степени расстояния между частицами, данная пара образует экситон очень больших размеров. Причем все это происходит в кристаллах, где среда характеризуется довольно большой диэлектрической проницаемостью «е». Значит, взаимодействие в кристалле ослаблено в «е» раз по сравнению с вакуумом. Экситон раздут, а его орбита, на которой
3 4 5 6
обращаются связанные электрон и дырка, охватывает множество ячеек, представляя собой, можно сказать, мегаатом.
Как же наблюдать такое образование в кристалле? Казалось бы, достаточно зафиксировать соответствующий спектр экситона: согласно законам поведения водородоподобного атома в кулоновской потенциальной яме появляется серия уровней, которые характерным образом сбегаются к границе сплошного поглощения, где движение электрона и дырки уже свободно. В этой области экситон ионизован. Следовательно, у края поглощения, соответствующего перебросу электрона светом в зону проводимости, должна наблюдаться серия узких линий спектра экситона-мега-атома в кристалле, похожая, например, на хорошо известную еще из школьных учебников серию Бальме-ра для атома водорода.
На первый взгляд — все просто. Но никто ничего подобного не наблюдай. Спектр полупроводников выглядел весьма банально. Ни дать, ни взять — спектр светофильтра: проз-рачный со стороны д линных волн (световые кванты небольшой энергии) при довольно интенсивном поглощении в коротковолновой части. Энергия «красных» фотонов недостаточно велика, чтобы перебросить электрон в зону проводимости, а когда она возрастает, то осуществляется перевод электрона в данную зону, и свет сильно поглощается кристаллом.
Но почему, наблюдая этот край поглощения и всплеск фототока, с ним связанный, никто не видел следов экситона? Ответ прост, и лучше A.C. Пушкина не скажешь: «Мы ленивы и нелюбопытны».
Стоило члену-корреспонденту АН СССР Е.Ф. Гроссу взять тонкую пластиночку закиси меди (полупроводника рубиново-красиого цвета), охладить ее до температуры — 196"С в жидком азоте и, главное, использовать спектральный прибор большой
Водородоподобная серия экситона в кристалле закиси меди. Линии поглощения — белые на фоне видимого спектра.
дисперсии, как он увидел ту самую серию водородоподобных линий. Конечно, повезло исследователю: в его руки попал кристалл закиси меди, где все события разыгрывались в легко доступной для спектроскопии видимой области спектра, а параметры зонной структуры кристалла позволяли наблюдать не одну-две, а множество экситонных линий. Повезло и мне, одному из первых учеников Гросса: передо мной открывалось г игантское нетронутое поле спектроскопии полупроводников, науки, давшей впоследствии неоценимые знания о взаимодействии света с электронами и даже ядрами в полупроводниках. Помню, как, охладив кристалл закиси меди до температуры жидкого гелия (—269"С), я увидел более десятка узких экситонных линий. Гросс, как человек эмоциональный, бурно проявлял свои чувства:
— Борис! Это чудо. Серия узких линий в кристалле! Мы с вами должны прославиться, исследуя экситон! Я уверен, это общее явление для всех полупроводников, оно поможет понять детали и фотопроводимости, и люминесценции, и того, о чем мы еще и не догадываемся!
В душе моего учителя пели ликующие трубы сразу из всех опер любимого им Вагнера. Это ему, Гроссу, боги послали «Золото Рейна», а впереди сияла цветами радуги Валгалла, где навеки продолжится научная жизнь и слава моего учителя. Говорю это едва ли с преувеличением, зная его восторженно-воинственный ха ра кте р. Отец Гросса был немец, генерал-лей-тенант, управляющий — до Октябрьской революции — Ижорским заводом (под Санкт-1 [етербургом), а мама датчанка. Часто Евгений Федорович, низенький, толстенький, в кургузом пиджачке и старомодной тюбетейке, обращаясь ко мне, говорил:
— Борис, я — викинг Люблю иметь врагов и сражаться с ними!
Но все-таки больше всего он любил науку, музыку и живопись. Во всех ви-
о-
С-
)ы дал тнюрческой деятельности ценил рял: «Как здорово у вас все получает- экситон ной природе наблюдаемого
о- новаторство, яркие открытия. ся». Отцу советской физики было спектра, гак как неподвижная при-
1Й. Новые физические эффекты в не- тогда 73 года. месь не может дать узких линий при
й, большой лаборатории Гросса в Физи- Огромный радиус экситонных ор- оптических переходах примесь—зона.
ко-техническом институте посыпа- бит позволил запросто наблюдать под В этих рассуждениях он использовал
и- лись, как из рога изобилия. В 1952 г. действием магнитного поля диамаг- принцип неопределенности немец-
ш наблюдали две экситонные серии. нитныйсдвигэнергетических состоя- кого ученого В. Гейзенберга (нобелев-
Я Одна — электрон и легкая дырка, ний экситона — релятивистский эф- ский лауреат 1932 г). Уже много лет
■ех другая — электрон и тяжелая дырка. фект, который до этого наблюдался спустя кто-то из американских физи-
о- Это указывало на существование лишь для возбужденных состояний ков развил и опубликовал идею, ана-
и фундаментального явления в полу- свободных атомов в очень громозд- логичную высказанной Ландау.
1ы проводниках — спин-орбитального ком эксперименте. Помню, как я выступал с докладом
расщепления энергетических зон. Несмотря на такой фейерверк явле- об экситонных эффектах в Отдел е-
о- Вскоре было обнаружено воздейст- ний, в экситон мало верили. Заявля- нии физики АН СССР в Москве в
и- вне внешних элект
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.