एक्सिटॉन: Difference between revisions

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{{anchor|excitonium}}<!-- Used by redirect -->इसके अतिरिक्त ऐक्साइटॉन पूर्णांक-स्पिन कण होते हैं जो निम्न-घनत्व सीमा में बोस के आँकड़ों का पालन करते हैं। कुछ प्रणालियों में, जहां परस्पर क्रिया प्रतिकारक होते हैं एक बोस-आइंस्टीन संघनित अवस्था जिसे ऐक्सिटोनियम कहा जाता है जिसे जमीनी अवस्था होने की भविष्यवाणी की जाती है।ऐक्साइटोनियम के कुछ प्रमाण 1970 के दशक से मौजूद हैं लेकिन  
{{anchor|excitonium}}<!-- Used by redirect -->इसके अतिरिक्त ऐक्साइटॉन पूर्णांक-स्पिन कण होते हैं जो निम्न-घनत्व सीमा में बोस के आँकड़ों का पालन करते हैं। कुछ प्रणालियों में, जहां परस्पर क्रिया प्रतिकारक होते हैं एक बोस-आइंस्टीन संघनित अवस्था जिसे ऐक्सिटोनियम कहा जाता है जिसे जमीनी अवस्था होने की भविष्यवाणी की जाती है।ऐक्साइटोनियम के कुछ प्रमाण 1970 के दशक से मौजूद हैं लेकिन  


अक्सर एक पीयरल्स(Peierls) चरण से इसे पहचानना मुश्किल हो गया है।<ref>{{cite news|title=New form of matter 'excitonium' discovered|url=https://timesofindia.indiatimes.com/home/science/new-form-of-matter-excitonium-discovered/articleshow/61994947.cms|access-date=10 December 2017|work=The Times of India}}</ref> ऐक्साइटॉन कंडेनसेट्स को कथित तौर पर दोहरे क्वांटम वेल प्रणाली में देखा गया है।<ref>{{Cite journal|title = Exciton Condensation in Bilayer Quantum Hall Systems|date = January 10, 2014|journal = Annual Review of Condensed Matter Physics|volume = 5|pages = 159–181|doi = 10.1146/annurev-conmatphys-031113-133832|last1 = Eisenstein|first1 = J.P.|arxiv = 1306.0584|bibcode = 2014ARCMP...5..159E|s2cid = 15776603}}</ref> 2017 में कोगर एट अल(Kogar et al.) त्रि-आयामी अर्धधातु 1T-TiSe2 में संघनित प्रेक्षित उत्तेजनों के लिए "सम्मोहक साक्ष्य" मिला।
अक्सर एक पीयरल्स(Peierls) चरण से इसे पहचानना मुश्किल हो गया है।<ref>{{cite news|title=New form of matter 'excitonium' discovered|url=https://timesofindia.indiatimes.com/home/science/new-form-of-matter-excitonium-discovered/articleshow/61994947.cms|access-date=10 December 2017|work=The Times of India}}</ref> ऐक्साइटॉन कंडेनसेट्स को कथित तौर पर दोहरे क्वांटम वेल प्रणाली में देखा गया है।<ref>{{Cite journal|title = Exciton Condensation in Bilayer Quantum Hall Systems|date = January 10, 2014|journal = Annual Review of Condensed Matter Physics|volume = 5|pages = 159–181|doi = 10.1146/annurev-conmatphys-031113-133832|last1 = Eisenstein|first1 = J.P.|arxiv = 1306.0584|bibcode = 2014ARCMP...5..159E|s2cid = 15776603}}</ref> 2017 में कोगर एट अल(Kogar et al.) त्रि-आयामी अर्धधातु 1T-TiSe2 में संघनित प्रेक्षित उत्तेजनों के लिए "सम्मोहक साक्ष्य" मिला।
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स्थानिक रूप से प्रत्यक्ष और अप्रत्यक्ष ऐक्साइटॉन


== स्थानिक रूप से प्रत्यक्ष और अप्रत्यक्ष ऐक्साइटॉन ==
आमतौर पर इलेक्ट्रॉन और छिद्र की निकटता के कारण अर्धचालक में ऐक्साइटॉन का जीवनकाल बहुत कम होता है हालांकि, तथाकथित 'स्थानिक रूप से अप्रत्यक्ष' उत्तेजनाओं के बीच एक इन्सुलेटिंग बाधा परत के साथ 'स्थानिक रूप से अलग क्वांटम वैल में इलेक्ट्रॉन और छिद्र को रखकर बनाया जा सकता है। सामान्य (स्थानिक रूप से प्रत्यक्ष) के विपरीत ये स्थानिक रूप से अप्रत्यक्ष उत्तोलन इलेक्ट्रॉन और छिद्र के बीच बड़े स्थानिक पृथक्करण हो सकते हैं और इस तरह यह बहुत लंबा जीवनकाल रखता है।<ref>{{Cite journal |doi = 10.1038/s41563-019-0337-0|pmid = 30962556|title = Ultrafast transition between exciton phases in van der Waals heterostructures|journal = Nature Materials|volume = 18|issue = 7|pages = 691–696|year = 2019|last1 = Merkl|first1 = P.|last2 = Mooshammer|first2 = F.|last3 = Steinleitner|first3 = P.|last4 = Girnghuber|first4 = A.|last5 = Lin|first5 = K.-Q.|last6 = Nagler|first6 = P.|last7 = Holler|first7 = J.|last8 = Schüller|first8 = C.|last9 = Lupton|first9 = J. M.|last10 = Korn|first10 = T.|last11 = Ovesen|first11 = S.|last12 = Brem|first12 = S.|last13 = Malic|first13 = E.|last14 = Huber|first14 = R.|arxiv = 1910.03890|bibcode = 2019NatMa..18..691M|s2cid = 104295452}}</ref> यह अक्सर बोस-आइंस्टीन संघनन (या इसके दो-आयामी एनालॉग) का अध्ययन करने के लिए इसका उपयोग अक्सर ऐक्साइटॉन को बहुत कम तापमान पर ठंडा करने के लिए किया जाता है।<ref>{{Cite journal | doi=10.1038/nature10903| pmid=22437498| title=Spontaneous coherence in a cold exciton gas| journal=Nature| volume=483| issue=7391| pages=584–588| year=2012| last1=High| first1=A. A.| last2=Leonard| first2=J. R.| last3=Hammack| first3=A. T.| last4=Fogler| first4=M. M.| last5=Butov| first5=L. V.| last6=Kavokin| first6=A. V.| last7=Campman| first7=K. L.| last8=Gossard| first8=A. C.| bibcode=2012Natur.483..584H| arxiv=1109.0253| s2cid=3049881}}</ref>
आमतौर पर इलेक्ट्रॉन और छिद्र की निकटता के कारण अर्धचालक में ऐक्साइटॉन का जीवनकाल बहुत कम होता है हालांकि, तथाकथित 'स्थानिक रूप से अप्रत्यक्ष' उत्तेजनाओं के बीच एक इन्सुलेटिंग बाधा परत के साथ 'स्थानिक रूप से अलग क्वांटम वैल में इलेक्ट्रॉन और छिद्र को रखकर बनाया जा सकता है। सामान्य (स्थानिक रूप से प्रत्यक्ष) के विपरीत ये स्थानिक रूप से अप्रत्यक्ष उत्तोलन इलेक्ट्रॉन और छिद्र के बीच बड़े स्थानिक पृथक्करण हो सकते हैं और इस तरह यह बहुत लंबा जीवनकाल रखता है।<ref>{{Cite journal |doi = 10.1038/s41563-019-0337-0|pmid = 30962556|title = Ultrafast transition between exciton phases in van der Waals heterostructures|journal = Nature Materials|volume = 18|issue = 7|pages = 691–696|year = 2019|last1 = Merkl|first1 = P.|last2 = Mooshammer|first2 = F.|last3 = Steinleitner|first3 = P.|last4 = Girnghuber|first4 = A.|last5 = Lin|first5 = K.-Q.|last6 = Nagler|first6 = P.|last7 = Holler|first7 = J.|last8 = Schüller|first8 = C.|last9 = Lupton|first9 = J. M.|last10 = Korn|first10 = T.|last11 = Ovesen|first11 = S.|last12 = Brem|first12 = S.|last13 = Malic|first13 = E.|last14 = Huber|first14 = R.|arxiv = 1910.03890|bibcode = 2019NatMa..18..691M|s2cid = 104295452}}</ref> यह अक्सर बोस-आइंस्टीन संघनन (या इसके दो-आयामी एनालॉग) का अध्ययन करने के लिए इसका उपयोग अक्सर ऐक्साइटॉन को बहुत कम तापमान पर ठंडा करने के लिए किया जाता है।<ref>{{Cite journal | doi=10.1038/nature10903| pmid=22437498| title=Spontaneous coherence in a cold exciton gas| journal=Nature| volume=483| issue=7391| pages=584–588| year=2012| last1=High| first1=A. A.| last2=Leonard| first2=J. R.| last3=Hammack| first3=A. T.| last4=Fogler| first4=M. M.| last5=Butov| first5=L. V.| last6=Kavokin| first6=A. V.| last7=Campman| first7=K. L.| last8=Gossard| first8=A. C.| bibcode=2012Natur.483..584H| arxiv=1109.0253| s2cid=3049881}}</ref>


Revision as of 15:54, 10 December 2022

फ्रेनकेल ऐक्साइटॉन, बाध्य इलेक्ट्रॉन-छिद्र(होल) जोड़ी क्रिस्टल में एक स्थिति में स्थानीयकृत है जहाँ छिद्र काले बिंदुओं द्वारा दर्शाया गया है।
वानियर-मॉट ऐक्साइटॉन, बाध्य इलेक्ट्रॉन-छिद्र जोड़ी जो एक क्रिस्टल स्थिति में स्थानीयकृत नहीं है। यह आंकड़ा योजनाबद्ध रूप से जाली के पार ऐक्साइटॉन के प्रसार को दर्शाता है।
संघनित पदार्थ भौतिकी
QuantumPhaseTransition.svg
मामले की स्थिति
चरण -घटना
इलेक्ट्रॉनिक चरण
इलेक्ट्रॉनिक घटना
क्वांटम हॉल प्रभाव
चुंबकीय चरण
Quasiparticle
नरम बात
वैज्ञानिक

ऐक्साइटॉन-इलेक्ट्रॉन और इलेक्ट्रॉन छिद्र(होल) की एक बाध्य अवस्था है, जो इलेक्ट्रोस्टैटिक कूलॉम बल के नियम द्वारा एक दूसरे के लिए आकर्षित होती है। यह एक विद्युत रूप से तटस्थ अर्धकण है जो विद्युतरोधी अर्धचालक और कुछ तरल पदार्थों में सम्मिलित है। ऐक्साइटॉन को संघनित पदार्थ की प्राथमिक उत्तेजना माना जाता है जो शुद्ध विद्युत आवेश के बिना ऊर्जा का परिवहन कर सकता है।[1][2][3] ऐक्साइटॉन तब बन सकता है जब एक सामग्री अपने ऊर्जा अंतराल की तुलना में उच्च ऊर्जा के फोटॉन(photon) को अवशोषित करती है।[4] यह संयोजी बंध (valance band) से चालन बंध में इलेक्ट्रॉन को उत्तेजित करता है। बदले में यह धनात्मक रूप से आदेश किए गए इलेक्ट्रॉन छिद्र (उस स्थान के लिए एक अमूर्तता जहाँ से एक इलेक्ट्रॉन को स्थानांतरित किया गया था) को पीछे छोड़ देता है। चालन बंध में इलेक्ट्रॉन तब इस स्थानीय छिद्र के लिए कम आकर्षित होता है, जो छिद्र और उत्साहित इलेक्ट्रॉन के आसपास बड़ी संख्या में इलेक्ट्रॉनों से प्रतिकारक कूलॉम बलों के कारण होता है। ये प्रतिकारक बल एक स्थिर ऊर्जा संतुलन प्रदान करते हैं। परिणामतः ऐक्साइटॉन में अबाध इलेक्ट्रॉन और छेदों की तुलना में थोड़ी कम ऊर्जा होती है। बाध्य अवस्था की तरंग क्रिया को हाइड्रोजनी कहा जाता है। हालांकि, बाध्यकारी ऊर्जा बहुत छोटी है और कण का आकार हाइड्रोजन परमाणु की तुलना में बहुत बड़ा है। यह अर्धचालक में अन्य इलेक्ट्रॉनों द्वारा कूलॉम बल की स्क्रीनिंग उत्तेजित इलेक्ट्रॉन और छिद्र के छोटे प्रभावी द्रव्यमान दोनों के कारण है। इलेक्ट्रॉन और छिद्र का पुनर्संयोजन यानी ऐक्साइटॉन का क्षय इलेक्ट्रॉन और छिद्र तरंग क्रिया के ओवरलैप के कारण अनुनाद स्थिरीकरण द्वारा सीमित है, जिसके परिणामस्वरूप ऐक्साइटॉन के लिए एक विस्तारित जीवनकाल होता है।

इलेक्ट्रॉन और छिद्र में समानांतर या असमानांतर स्पिन हो सकते हैं। स्पिन्स को विनिमय संबंध द्वारा युग्मित किया जाता है, जिससे ऐक्साइटॉन सूक्ष्म संरचना को जन्म मिलता है। आवधिक जाली में, ऐक्साइटॉन के गुण गति(K-Vector) निर्भरता दिखाते हैं।

ऐक्साइटॉन की अवधारणा को पहली बार 1931 में याकोव फ्रेनकेल द्वारा प्रस्तावित किया गया था,[5] जब उन्होंने अर्धचालक की एक जाली में परमाणुओं के उत्तेजना का वर्णन किया उन्होंने प्रस्ताव दिया कि यह उत्तेजित अवस्था आवेश के शुद्ध हस्तांतरण के बिना जाली के माध्यम से कण की तरह यात्रा करने में सक्षम होगी।

ऐक्साइटॉन को प्रायः छोटे या बड़े डाइ इलेक्ट्रिक स्थिरांक के दो सीमित मामलों में माना जाता है, क्रमशः फ्रेनकेल ऐक्साइटॉन और वानियर-मॉट ऐक्साइटॉन।

फ्रेनकेल ऐक्साइटॉन

अपेक्षाकृत छोटे परावैद्युत स्थिरांक वाली सामग्रियों में एक इलेक्ट्रॉन और एक छिद्र के बीच कूलॉम का संपर्क मजबूत हो सकता है इस प्रकार ऐक्साइटॉन छोटे होते हैं उसी क्रम के यूनिट सेल के आकार के रूप में आणविक उत्तेजनाएं भी पूरी तरह से एक ही अणु पर स्थित हो सकता है जैसे कि फुलरीन में याकोव फ्रेनकेल के नाम पर इस फ्रेनकेल ऐक्साइटॉन में 0.1 से 1 ईवी के क्रम पर विशिष्ट बाध्यकारी ऊर्जा है। फ्रेनकेल ऐक्साइटॉन आमतौर पर क्षार हलाइड क्रिस्टल और सुगंधित अणुओं से बने कार्बनिक आणविक क्रिस्टल में पाए जाते हैं जैसे एंथ्रासीन और टेट्रासीन। फ्रेनकेल ऐक्साइटॉन के एक अन्य उदाहरण में आंशिक रूप से भरे डी कक्षीय(D-Shells) के साथ संक्रमण धातु यौगिकों में साइट डी-डी कक्ष(D-D Shell) शामिल हैं। जबकि डी-डी संक्रमण सिद्धांत रूप में समरूपता द्वारा निषिद्ध हैं, वे क्रिस्टल में कमजोर रूप से अनुमत हो जाते हैं जब समरूपता संरचनात्मक आराम या अन्य प्रभावों से टूट जाती है। डी-डी संक्रमण के साथ एक फोटॉन गुंजयमान का अवशोषण एकल परमाणु क्षेत्र पर एक इलेक्ट्रॉन-छिद्र जोड़ी के निर्माण की ओर जाता है जिसे फ्रेनकेल ऐक्साइटॉन के रूप में माना जा सकता है।

वानियर-मॉट ऐक्साइटॉन

अर्धचालक में, परावैद्युत स्थिरांक आम तौर पर बड़ा होता है। परिणामत: विद्युत क्षेत्र की स्क्रीनिंग इलेक्ट्रॉनों और छिद्रोंं के बीच कूलॉम परस्पर क्रिया को कम करता है। परिणाम वानियर-मॉट ऐक्साइटॉन(wannier -mott exciton) है,[6] जिसमें त्रिज्या जाली रिक्ति से बड़ा है। इलेक्ट्रॉनों का छोटा प्रभावी द्रव्यमान जो अर्धचालक का विशिष्ट है बड़े ऐक्साइटॉन की तैयारी का भी पक्षधर है। परिणामतः जाली की क्षमता के प्रभाव को इलेक्ट्रॉन और छिद्र के प्रभावी द्रव्यमान में शामिल किया जा सकता है। इसी तरह 0.01eV के क्रम पर कम द्रव्यमान और स्क्रीनिंग कूलॉम परस्पर क्रिया के कारण ऊर्जा आमतौर पर हाइड्रोजन परमाणु की तुलना में बहुत कम होती है। इस प्रकार के ऐक्साइटॉन का नाम ग्रेगरी वानियर और नेविल फ्रांसिस मॉट के नाम पर रखा गया था। वानियर-मॉट ऐक्साइटॉन आमतौर पर क्रिस्टल में छोटे ऊर्जा अंतराल और उच्च ढांकता हुआ स्थिरांक के साथ पाए जाते हैं लेकिन जीनॉन(xenon) जैसे तरल पदार्थों में भी पहचाने जाते हैं उन्हें बड़े ऐक्साइटॉन के रूप में भी जाना जाता है।

एकल-वॉल कार्बन नैनोट्यूब में, ऐक्साइटॉन में वैनियर-मॉट और फ्रेनकेल दोनों की विशेषताए हैं। यह एक-आयाम में इलेक्ट्रॉनों और छेदों के बीच कूलॉम के संपर्क की प्रकृति के कारण है। नैनोट्यूब का ढांकता हुआ कार्य तरंग क्रिया की स्थानिक सीमा को ट्यूब अक्ष के साथ कई नैनोमीटर तक विस्तार करने के लिए पर्याप्त है जबकि नैनोट्यूब के बाहर वैक्यूम या ढांकता हुआ वातावरण में खराब स्क्रीनिंग बड़े(0.4 को 1.0eV) बाध्यकारी ऊर्जा के लिए अनुमति देता है।

अक्सर एक से अधिक बैंड को इलेक्ट्रॉन और छेद के लिए स्रोत के रूप में चुना जा सकता है, जिससे एक ही सामग्री में विभिन्न प्रकार के ऐक्साइटॉन हो सकते हैं। यहां तक कि उच्च-स्तरीय बैंड प्रभावी हो सकते हैं जैसा कि फेमटोसेकंड दो-फोटॉन प्रयोगों ने दिखाया है। क्रायोजेनिक तापमान पर कई उच्च ऐक्साइटॉन स्तरों को बैंड के किनारे पर पहुंचते हुए देखा जा सकता है,[7] वर्णक्रमीय अवशोषण रेखाओं की एक श्रृंखला का निर्माण करते हैं जो सिद्धांत रूप में हाइड्रोजन वर्णक्रमीय श्रृंखला के समान होते हैं।

3 डी अर्धचालक के लिए समीकरण

ढेर सारे अर्धचालक में, वानियर ऐक्साइटॉन में ऊर्जा और त्रिज्या जुड़ी होती है जिसे ऐक्साइटॉन रिडबर्ग एनर्जी और ऐक्साइटॉन बोहर रेडियस कहा जाता है।[8] ऊर्जा के लिए हमारे पास है:

यहाँ पे ऊर्जा की रिडबर्ग इकाई है(cf. Rydberg constant), (स्थैतिक) सापेक्ष पारगम्यता है, इलेक्ट्रॉन और छिद्र का कम द्रव्यमान है और इलेक्ट्रॉन द्रव्यमान है। त्रिज्या के विषय में हमारे पास है,

यहाँ पे बोहर रेडियस है।

इसलिए GAAS में उदाहरण के लिए, हमारे पास 12.8 और प्रभावी इलेक्ट्रॉन और छिद्र द्रव्यमान की सापेक्ष पारगम्यता है। 0और 0.2 मीटर0 क्रमशः वह हमें देता है मेव और एन.एम.

2 डी अर्धचालक के लिए समीकरण

द्वि-आयामी(2 डी) सामग्री में, प्रणाली क्वांटम सामग्री के विमान के लंबवत दिशा में सीमित है। प्रणाली की कम आयामीता का वान्नियर ऐक्साइटॉन(Wannier excitons) की बाध्यकारी ऊर्जा और रेडी पर प्रभाव पड़ता है। वास्तव में, ऐसी प्रणालियों में ऐक्साइटॉन प्रभाव बढ़ जाते है।[9] एक साधारण जांच की गई कूलॉम क्षमता के लिए बाध्यकारी ऊर्जा 2 डी हाइड्रोजन परमाणु का रूप ले लेती है[10]

.

अधिकांश 2 डी अर्धचालक में रायटोवा-केल्डीश(Rytova -keldysh) फॉर्म ऐक्साइटॉन परस्पर क्रिया के लिए अधिक सटीक सन्निकटन है[11][12][13]

जहाँ पे तथाकथित स्क्रीनिंग लंबाई है, आसपास के मीडिया का औसत डाइइलेक्ट्रिकश स्थिरांक और एक्सिटॉन रेडियस। इस क्षमता के एक्सिटॉन ऊर्जा के लिए कोई सामान्य अभिव्यक्ति नहीं मिल सकती है। इसके बजाय एक संख्यात्मक प्रक्रियाओं की ओर मुड़ना चाहिए और यह सही क्षमता है जो 2 डी अर्धचालक में ऊर्जा की गैरहाइड्रोजेनिक राइडबर्ग श्रृंखला को जन्म देती है।[9]


उदाहरण: ट्रांज़िशन मेटल डाइक्लोजेनाइड्स(TMDs) में ऐक्साइटॉन ट्रांज़िशन मेटल डाइक्लोजेनाइ(टीएमडी) के मोनोलेयर्स एक अच्छा और अत्याधुनिक उदाहरण है जहां ऐक्साइटॉन एक प्रमुख भूमिका निभाते हैं। विशेष रूप से इन प्रणालियों में वे 0.5 ईवी के क्रम की एक सीमा ऊर्जा का प्रदर्शन करते हैं[14] जिसमें अन्य पारंपरिक क्वांटम वैल की तुलना में छिद्र और इलेक्ट्रॉनों के बीच एक कूलॉम आकर्षण होता हैं। परिणामतः कमरे के तापमान पर भी इन सामग्रियों में ऑप्टिकल ऐक्साइटोनिक स्तरों में स्थापित हैं। [2]


आवेश-स्थानांतरण ऐक्साइटॉन

फ्रेनकेल और वानियर-मॉट ऐक्साइटॉन के बीच एक मध्यवर्ती मामला आवेश-स्थानांतरण(CT) ऐक्साइटॉन है। आणविक भौतिकी में, सीटी ऐक्साइटॉन तब बनते हैं जब इलेक्ट्रॉन और छिद्र आसन्न अणुओं पर कब्जा कर लेते हैं।[15] वे मुख्य रूप से कार्बनिक और आणविक क्रिस्टल में होते हैं[16] इस मामले में, फ्रेनकेल और वानियर ऐक्साइटॉन के विपरीत सीटी ऐक्साइटॉन(CT Exciton) एक स्थिर इलेक्ट्रिक द्विध्रुवीय क्षण प्रदर्शित करते हैं। सीटी ऐक्साइटॉन संक्रमण धातु ऑक्साइड में भी हो सकता है, जहां वे संक्रमण धातु 3 डी कक्षीय में एक इलेक्ट्रॉन और ऑक्सीजन 2 पी कक्षीय में एक छिद्र शामिल करते हैं। उल्लेखनीय उदाहरणों में सहसंबद्ध कपाट(cuprates)[17] या TiO2 के दो-आयामी ऐक्साइटॉन में[18] सबसे कम-ऊर्जा वाले ऐक्साइटॉन मौजूद होते हैं। उत्पत्ति के बावजूद सीटी ऐक्साइटॉन की अवधारणा हमेशा एक परमाणु स्थान से दूसरे में आवेश के हस्तांतरण से संबंधित होती है इस प्रकार कुछ जाली(लैटिस) स्थानों पर तरंग क्रिया को फैलाता है।

भूतल उत्तेजना

सतहों पर तथाकथित छवि अवस्थाओं का होना संभव है जहां छेद ठोस के अंदर और इलेक्ट्रॉन निर्वात में होता है। ये इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े केवल सतह के साथ ही चल सकते हैं।

परमाणु और आणविक ऐक्साइटॉन

वैकल्पिक रूप से ऐक्साइटॉन को एक परमाणु विद्युत से आविष्‍ट एक कण अणु की उत्तेजित अवस्था के रूप में वर्णित किया जा सकता है, अगर ऐक्साइटॉन जाली (लैटिस) की कोशिका एक से दूसरे तक भ्रमण कर रही है।

जब एक अणु ऊर्जा की मात्रा को अवशोषित करता है जो एक आणविक कक्षीय से दूसरे आणविक कक्षीय में एक संक्रमण से मेल खाता है, तो परिणामी इलेक्ट्रॉनिक उत्तेजित अवस्था को भी एक ऐक्साइटॉन के रूप में वर्णित किया जाता है। इलेक्ट्रॉन को सबसे कम खाली कक्ष में पाया जाता है और एक इलेक्ट्रॉन छिद्र उच्चतम कब्जे वाले आणविक कक्षीय में पाया जाता है चूंकि वे एक ही आणविक कक्षीय के कई गुना भीतर पाए जाते हैं इसलिए इलेक्ट्रॉन-छिद्र अवस्था को बाध्य कहा जाता है। आणविक ऐक्साइटॉन में आमतौर पर नैनोसेकंड के आदेश पर विशिष्ट जीवनकाल होता है जिसके बाद सतह इलेक्ट्रॉनिक अवस्था बहाल हो जाती है और अणु फोटॉन या फोनन उत्सर्जन से गुजरता है। आणविक ऐक्साइटॉन में कई दिलचस्प गुण होते हैं जिनमें से एक ऊर्जा हस्तांतरण है(फोरस्टर रेजोनेंस एनर्जी ट्रांसफर देखे) जिससे अगर एक आणविक उत्तेजना में दूसरे अणु के वर्णक्रमीय अवशोषण के लिए उचित ऊर्जावान मिलान होता है तो एक ऐक्साइटॉन एक अणु से दूसरे अणु से स्थानांतरित(हॉप) हो सकता है। यह प्रक्रिया समाधान में प्रजातियों के बीच अंतर-आणविक दूरी पर दृढ़ता से निर्भर है इसलिए प्रक्रिया को संवेदन और आणविक शासकों में आवेदन मिला है।

कार्बनिक आणविक क्रिस्टल में आणविक ऐक्साइटॉन की पहचान दोगुना या ऐक्साइटॉन अवशोषण बैंड के ट्रिपलेट्स क्रिस्टलोग्राफिक अक्षों के साथ दृढ़ता से ध्रुवीकृत हैं। इन क्रिस्टल में एक प्राथमिक कोशिका में सममित रूप से समान स्थिति में बैठे कई अणु शामिल होते हैं जिसके परिणामस्वरूप अंतर-आणविक संपर्क द्वारा उठाए गए स्तर में गिरावट होती है। परिणामतः अवशोषण बैंड क्रिस्टल के समरूपता अक्षों के साथ ध्रुवीकृत होते हैं। इस तरह के गुणकों(मल्टीप्लेट्स) की खोज एंटोनिना प्रिखोटको के द्वारा की गई थी[19][20] और उनकी उत्पत्ति अलेक्जेंडर डेविडोव द्वारा प्रस्तावित की गई थी। इसे 'डेविडोव स्प्लिटिंग' के नाम से जाना जाता है।[21][22]


विशालकाय ऑस्किलेटर शक्ति बाध्य ऐक्साइटॉन

शुद्ध क्रिस्टल के इलेक्ट्रॉनिक उपप्रणाली के ऐक्साइटॉन की सबसे कम उत्तेजित अवस्थाएँ हैं। अशुद्धियां ऐक्साइटॉनो को बांध सकती हैं और जब बाध्य अवस्था उथली होती है, तो बाध्य ऐक्साइटॉन के उत्पादन के लिए ऑस्किलेटर क्षमता इतनी अधिक होती है कि अशुद्धता अवशोषण कम अशुद्धता सांद्रता पर भी आंतरिक ऐक्साइटॉन अवशोषण के साथ प्रतिस्पर्धा कर सकता है। यह घटना सामान्य है और बड़े त्रिज्या(वानियर-मॉट) ऐक्साइटॉन और आणविक(फ्रेनकेल) ऐक्साइटॉन दोनों पर लागू होती है इसलिए अशुद्धियों और दोषों के लिए बाध्य ऐक्साइटॉन के पास विशाल ऑस्किलेटर शक्ति होती है।[23]


ऐक्साइटॉन की सेल्फ-ट्रैपिंग

क्रिस्टल में, ऐक्साइटॉन फोनोन जाली(लैटिस) कंपन के साथ संपर्क करते हैं। यदि यह युग्मन GaAs या Si जैसे विशिष्ट अर्धचालकों में फोनन द्वारा ऐक्साइटॉन बिखरे हुए हैं। हालांकि, जब युग्मन मजबूत होता है तो ऐक्साइटॉन स्वयं फंस सकते है।[24][25] आभासी फोनन के घने बादल के साथ ऐक्साइटॉन के सेल्फ-ट्रैपिंग परिणामस्वरूप जो क्रिस्टल के पार स्थानांतरित करने के लिए ऐक्साइटॉन की क्षमता को दृढ़ता से दबा देता है। सरल शब्दों में इसका अर्थ है ऐक्साइटॉन के चारों ओर क्रिस्टल लैटिस का स्थानीय विरूपण। सेल्फ-ट्रैपिंग केवल तभी प्राप्त की जा सकती है जब इस विकृति की ऊर्जा बैंड की चौड़ाई के साथ प्रतिस्पर्धा कर सके इसलिए यह लगभग एक इलेक्ट्रॉन वोल्ट के परमाणु पैमाने का होना चाहिए।

ऐक्साइटॉन का सेल्फ-ट्रैपिंग मजबूत-युग्मन पोलरॉन बनाने के समान है लेकिन तीन आवश्यक अंतरों के साथ सबसे पहले स्व-ट्रैप किए गए ऐक्साइटॉन अवस्था हमेशा एक छोटे से त्रिज्या के होते हैं, लैटिस स्थिरांक के क्रम में उनकी विद्युत तटस्थता के कारण।

दूसरा- मुक्त और सेल्फ-ट्रैपिंग अवस्था को अलग करने वाले एक सेल्फ-ट्रैपिंग अवरोधक मौजूद है इसलिए मुक्त ऐक्साइटॉन मेटा स्थिर हैं।

तीसरा- यह बाधा ऐक्साइटॉन के मुक्त और सेल्फ-ट्रैपिंग अवस्थाओं के सह-अस्तित्व को सक्षम बनाता है।[26][27][28] इसका मतलब यह है कि मुक्त ऐक्साइटॉन की वर्णक्रमीय रेखाएं और सेल्फ-ट्रैप हुए एक्साइटों के विस्तृत बैंड को एक साथ अवशोषण और प्रकाश(ल्यूमिनेशन) स्पेक्ट्रा में देखा जा सकता है जबकि सेल्फ-टैपड अवस्था लैटिस-अंतर पैमाने के होते हैं अवरोध में आमतौर पर बहुत बड़े पैमाने पर होते हैं। इसका स्थानिक पैमाना लगभग जहाँ पे एक्सिटॉन का प्रभावी द्रव्यमान है, ऐक्साइटॉन-फॉनन युग्मन स्थिरांक है और ऑप्टिकल फोनन की विशेषता आवृत्ति है तथा बड़े होते हैं तो ऐक्साइटॉन सेल्फ-ट्रैप हो जाते हैं फिर लैटिस अंतर की तुलना में अवरोध का स्थानिक आकार बड़ा होता है। एक मुक्त ऐक्साइटॉन अवस्था को स्व-ट्रैप्ड में बदलना एक युग्मित ऐक्साइटॉन-लेटिस सिस्टम(एक इंस्टेंटन) की सामूहिक सुरंग के रूप में आगे बढ़ता है क्योंकि बड़ा है, टनलिंग को एक सातत्य सिद्धांत द्वारा वर्णित किया जा सकता है।[29] बैरियर की ऊंचाई क्योंकि दोनों तथा में दिखाई देता हैं बैरियर मूल रूप से कम हैं इसलिए क्रिस्टल में केवल शुद्ध नमूनों में और कम तापमान पर मजबूत ऐक्साइटॉन-फॉनन युग्मन के साथ मुक्त ऐक्साइटॉन देखे जा सकते हैं। दुर्लभ-गैस ठोस, क्षार-हैलाइड्स और पाइरीन के आणविक क्रिस्टल में स्वतंत्र और स्व-ट्रैप्ड ऐक्साइटॉन का सह-अस्तित्व देखा गया ।[30][31][32][33]


इंटरैक्शन (परस्पर क्रिया)

उच्च तापमान पर मुक्त इलेक्ट्रॉन-छेद पुनर्संयोजन की जगह कम तापमान पर अर्धचालकों में प्रकाश उत्सर्जन के लिए ऐक्साइटॉन मुख्य तंत्र हैं(जब विशेषता थर्मल ऊर्जा केटी ऐक्साइटॉन बाइंडिंग एनर्जी से कम होती है)।

ऐक्साइटॉन अवस्था के अस्तित्व का अनुमान उत्तेजना से जुड़े प्रकाश के अवशोषण से लगाया जा सकता है। आमतौर पर, ऊर्जा अंतराल के ठीक नीचे ऐक्साइटॉन देखे जाते हैं।

जब ऐक्साइटॉन फोटॉनों के साथ परस्पर क्रिया करते हैं तो एक तथाकथित पोलरिटॉन (या अधिक विशेष रूप से ऐक्साइटॉन-पोलरिटॉन) बनता है। इन ऐक्साइटॉन को डैसड एक्साइटन के रूप में संदर्भित किया जाता है।

ऐक्साइटॉन एक डायहाइड्रोजन अणु के अनुरूप एक बाइ ऐक्साइटॉन बनाने के लिए अन्य उत्तेजनाओं के साथ जुड़ सकता है। यदि किसी सामग्री में एक बड़ा घनत्व बनाया जाता है, तो इलेक्ट्रॉन-छेद तरल बनाने के लिए एक दूसरे के साथ संपर्क कर सकते हैं, एक अवस्था जो के-स्पेस (K-Space) अप्रत्यक्ष अर्धचालक में पाया जाता है।

इसके अतिरिक्त ऐक्साइटॉन पूर्णांक-स्पिन कण होते हैं जो निम्न-घनत्व सीमा में बोस के आँकड़ों का पालन करते हैं। कुछ प्रणालियों में, जहां परस्पर क्रिया प्रतिकारक होते हैं एक बोस-आइंस्टीन संघनित अवस्था जिसे ऐक्सिटोनियम कहा जाता है जिसे जमीनी अवस्था होने की भविष्यवाणी की जाती है।ऐक्साइटोनियम के कुछ प्रमाण 1970 के दशक से मौजूद हैं लेकिन

अक्सर एक पीयरल्स(Peierls) चरण से इसे पहचानना मुश्किल हो गया है।[34] ऐक्साइटॉन कंडेनसेट्स को कथित तौर पर दोहरे क्वांटम वेल प्रणाली में देखा गया है।[35] 2017 में कोगर एट अल(Kogar et al.) त्रि-आयामी अर्धधातु 1T-TiSe2 में संघनित प्रेक्षित उत्तेजनों के लिए "सम्मोहक साक्ष्य" मिला।


स्थानिक रूप से प्रत्यक्ष और अप्रत्यक्ष ऐक्साइटॉन

आमतौर पर इलेक्ट्रॉन और छिद्र की निकटता के कारण अर्धचालक में ऐक्साइटॉन का जीवनकाल बहुत कम होता है हालांकि, तथाकथित 'स्थानिक रूप से अप्रत्यक्ष' उत्तेजनाओं के बीच एक इन्सुलेटिंग बाधा परत के साथ 'स्थानिक रूप से अलग क्वांटम वैल में इलेक्ट्रॉन और छिद्र को रखकर बनाया जा सकता है। सामान्य (स्थानिक रूप से प्रत्यक्ष) के विपरीत ये स्थानिक रूप से अप्रत्यक्ष उत्तोलन इलेक्ट्रॉन और छिद्र के बीच बड़े स्थानिक पृथक्करण हो सकते हैं और इस तरह यह बहुत लंबा जीवनकाल रखता है।[36] यह अक्सर बोस-आइंस्टीन संघनन (या इसके दो-आयामी एनालॉग) का अध्ययन करने के लिए इसका उपयोग अक्सर ऐक्साइटॉन को बहुत कम तापमान पर ठंडा करने के लिए किया जाता है।[37]

नैनोकणों में ऐक्साइटॉन

See also: क्वांटम डॉट तथा अर्धचालकों में क्वांटम परिरोध

यह भी देखें: क्वांटम डॉट अर्धचालकों में क्वांटम कारावास

अर्धचालक क्रिस्टलीय नैनोकणों में जो क्वांटम कारावास प्रभावों को प्रदर्शित करते है और क्वांटम बिंदुओं के रूप में व्यवहार करते है ऐक्साइटोनिक रेडी द्वारा दिए गए है[38][39]

जहाँ पे सापेक्ष पारगम्यता है, इलेक्ट्रॉन-छिद्र व्यवस्था का कम द्रव्यमान है, इलेक्ट्रॉन द्रव्यमान है और बोहर रेडियस है।


यह भी देखें

  • ऑर्बिटन
  • ऑस्किलेटर शक्ति
  • प्लास्मोन
  • पोलारिटोन सुपरफ्लुइड
  • ट्रियोन

संदर्भ

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