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Trión (física)

Un trión es un estado ligado de tres partículas cargadas. Un trión cargado negativamente en cristales consta de dos electrones y un hueco , mientras que un trión cargado positivamente consta de dos huecos y un electrón. La energía de enlace de un trión está determinada en gran medida por la interacción de intercambio entre los dos electrones (huecos). El estado fundamental de un trión cargado negativamente es un singlete ( espín total de dos electrones S = 0). El estado triplete (espín total de dos electrones S = 1) no está ligado en ausencia de un potencial adicional o un campo magnético suficientemente fuerte.

Al igual que los excitones, los triones pueden crearse mediante excitación óptica. Un fotón incidente crea un excitón, y este excitón se une a un electrón adicional (hueco), creando un trión. El tiempo de unión del excitón al electrón adicional es del mismo orden que el tiempo de formación del excitón. Por eso los triones se observan no solo en los espectros de emisión , sino también en los espectros de absorción y reflexión.

Los estados triónicos se predijeron teóricamente en 1958; [1] La primera vez que se observaron experimentalmente fue en 1993 en pozos cuánticos de CdTe/Cd 1−x Zn x Te por Ronald Cox y coautores, [2] y más tarde en varias otras estructuras semiconductoras . [3] [4] [5] En los últimos años, los estados triónicos en puntos cuánticos se han estudiado activamente. [6] [7] [8] [9] Existen pruebas experimentales de su existencia en nanotubos [10] respaldadas por estudios teóricos. [11] Particularmente interesante es el estudio de los triones en capas atómicamente delgadas bidimensionales (2D) de dicalcogenuros de metales de transición. [12] [13] [14] En tales materiales, la interacción entre los portadores de carga se mejora muchas veces debido al debilitamiento del apantallamiento [15]

Una propiedad importante de un trión es que su estado fundamental es un singlete. Como resultado, en un campo magnético suficientemente grande, cuando todos los electrones aparecen polarizados por espín, los triones nacen bajo la acción de la luz de una sola polarización circular. En esta polarización, los excitones con el momento angular apropiado forman estados de trión singlete. [16] La luz con la polarización circular opuesta solo puede formar estados triplete del trión.

Además de la formación de estados ligados, la interacción de los excitones con los electrones puede provocar la dispersión de los excitones por los electrones. En un campo magnético, el espectro de electrones se vuelve discreto y los estados de excitones dispersados ​​por los electrones se manifiestan como el fenómeno de "resonancia ciclotrónica de excitones" (ExCR). [17] En ExCR, un fotón incidente crea un excitón, que obliga a un electrón adicional a transferirse entre niveles de Landau . El proceso inverso se denomina "shake-up". [18] En este caso, la recombinación del trión va acompañada de la transición de un electrón adicional entre niveles de Landau.

Como las energías de un excitón y un trión son cercanas, pueden formar un estado ligado coherente en el que un trión puede "perder" un electrón para convertirse en un excitón y un excitón puede "capturar" un electrón para convertirse en un trión. Si no hay tiempo entre la pérdida y la captura del electrón para que se disipe, se forma un estado mixto similar a un excitón-polaritón. [19] Dichos estados se han observado de manera confiable en pozos cuánticos y monocapas de dicalcogenuros.

La interacción excitón-electrón en presencia de un gas denso de electrones puede conducir a la formación del llamado "tetrón de Suris". [20] Se trata de un estado de cuatro partículas: un excitón, un electrón y un agujero en el mar de Fermi.

Referencias

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  2. ^ Kheng, K.; Cox, RT; d' Aubigné, Merle Y.; Bassani, Franck; Saminadayar, K.; Tatarenko, S. (1993). "Observación de excitones X − cargados negativamente en pozos cuánticos de semiconductores". Physical Review Letters . 71 (11): 1752–1755. doi :10.1103/PhysRevLett.71.1752. PMID  10054489.
  3. ^ G. Finkelstein; et al. (1995). "Espectroscopia óptica de un gas de electrones bidimensional cerca de la transición metal-aislante". Phys. Rev. Lett . 74 (6): 976–979. Bibcode :1995PhRvL..74..976F. doi :10.1103/PhysRevLett.74.976. PMID  10058896.
  4. ^ AJShields; et al. (1995). "Espectroscopia magneto-óptica de excitones cargados positivamente en pozos cuánticos de GaAs". Phys. Rev . B52 (8): R5523–R5526. Bibcode :1995PhRvB..52.5523S. doi :10.1103/PhysRevB.52.R5523. PMID  9981820.
  5. ^ GVAstakhov; et al. (1999). "Excitones cargados en pozos cuánticos basados ​​en ZnSe". Phys. Rev . B60 (12): R8485–R8488. Código Bibliográfico :1999PhRvB..60.8485A. doi :10.1103/PhysRevB.60.R8485.
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  7. ^ RJ Warburton; et al. (2000). "Emisión óptica desde un anillo cuántico de carga ajustable". Nature . 405 (6789): 926–929. Bibcode :2000Natur.405..926W. doi :10.1038/35016030. hdl : 10261/32146 . PMID  10879528.
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