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Un mwaweccitone è una mwbaquasiparticella che descrive lo mwbqstato eccitato di un mwbgsolido o più in generale, di un sistema della mwbwmateria condensata. In un mwcadielettrico o in un mwcqsemiconduttore, può essere visto come uno stato legato di un mwcgelettrone e di una mwcwlacuna, interagenti mediante la mwdaforza di Coulomb.

L'eccitone è un sistema che presenta molte analogie con l'mwdgatomo di idrogeno. Il mwdwprotone dell'atomo di idrogeno o il mweanucleo degli atomi idrogenoidi sono sostituiti dalla lacuna nell'eccitone. La complicazione rispetto all'atomo di idrogeno o idrogenoide risulta dal fatto che nell'eccitone i costituenti elementari si muovono non nel vuoto, ma nel mezzo costituito da tutti gli altri elettroni del sistema. Questi ultimi agiscono nel senso di schermare l'interazione attrattiva fra l'elettrone e la lacuna. Il risultato è un'mweqenergia di legame molto più piccola e una dimensione molto maggiore rispetto all'atomo di idrogeno. Ulteriore effetto è giocato dalla mwegmassa efficace dei costituenti immersi nel materiale, in generale diversa dalla massa nuda dell'elettrone.

La formazione di un eccitone può essere provocata dall'assorbimento di un mwfafotone: un elettrone viene così eccitato dalla banda di valenza a quella di conduzione, lasciando una lacuna di carica positiva nella banda di valenza, alla quale è attratto per mezzo della forza di Coulomb. L'eccitone risulta dal legame tra l'elettrone e la sua lacuna; questo comporta che l'eccitone abbia un'mwfqenergia leggermente minore rispetto alla coppia non correlata elettrone-lacuna.

La funzione d'onda e le energie degli eccitoni possono essere calcolate risolvendo l'mwfwequazione di Bethe-Salpeter. Quest'ultima fornisce inoltre informazioni sull'interazione degli eccitoni col campo elettromagnetico (fotoni), permettendo di calcolare ad esempio lo mwgaspettro di assorbimento ottico.

• Classificazione

• Eccitoni di Wannier-Mott

• Eccitoni di Frenkel

• Eccitoni di Hubbard

• Altre tipologie

• Dinamiche

• Interazioni

• Con altre particelle

• Tra eccitoni

• Note

• Voci correlate

• Altri progetti

• Collegamenti esterni

Gli eccitoni possono essere analizzati in due casi limite, che dipendono dalle proprietà del materiale in questione.

Nei semiconduttori, la mwhgcostante dielettrica è generalmente grande, e ciò comporta che vi sia un effetto di schermo che tende a ridurre l'interazione coulombiana tra elettroni e lacune. Il risultato è un mwhweccitone di Wannier-Mott (così denominato da Gregory Wannier e mwiqNevill Francis Mott), che ha un raggio molto più grande del passo reticolare del mwigcristallo. Quindi, l'effetto del potenziale cristallino può essere incorporato nelle masse efficaci dell'elettrone e della lacuna, e a causa della massa minore e dell'interazione coulombiana schermata, l'energia di legame è solitamente molto minore di quella dell'atomo di idrogeno, tipicamente dell'ordine del mmwiweV.

Quando la costante dielettrica di un materiale è molto piccola, l'interazione coulombiana tra l'elettrone e la lacuna diviene molto forte e gli eccitoni tendono a essere molto più piccoli, dello stesso ordine di grandezza della cella elementare del cristallo (o di una molecola, come nel mwjgfullerene), così l'elettrone e la lacuna si trovano nella stessa cella. Questo è un mwjweccitone di Frenkel (così denominato da mwkaJakov Frenkel), di energia dell'ordine di 1 eV.

Gli eccitoni di Hubbard derivano il nome dal loro scopritore, il fisico John Hubbard. Essi sono eccitoni che non sono legati da mwlqforze di Coulomb, bensì dal mwlgmagnetismo.

Sono stati rilevati per la prima volta in tempo reale nel 2023, grazie alla mwmaspettroscopia ultraveloce al mwmqterahertz nel dominio del tempo. Sono stati ottenuti applicando la luce a un mwmgisolante di Mott.cite-ref-1[1]

Da un altro punto di vista, un eccitone può essere pensato come uno stato eccitato di un atomo o di uno mwoqione, eccitazione che si propaga da una cella del mwogreticolo all'altra.

Spesso le coppie elettrone-lacuna hanno a disposizione più bande possibili, e questo fa sì che nello stesso materiale possano formarsi diversi tipi di eccitone. Un eccitone può formarsi anche con elettroni o lacune in bande a energie molto alte, come è stato osservato in esperimenti a due fotoni con risoluzione temporale del mwpafemtosecondo.

Sulle superfici di un materiale possono osservarsi i cosiddetti mwpgstati immagine, dove la lacuna è all'interno del solido e l'elettrone nel vuoto esterno. Queste coppie elettrone-lacuna possono muoversi solo lungo la superficie.

Lmwqa'mwqqeccitone oscuro (dark exciton) costituisce uno stato possibile del sistema, ma l'eccitazione di tale stato da parte del campo elettromagnetico, di un fotone, ha probabilità nulla. Eccitoni oscuri, pertanto, non si manifestano come picchi nello spettro di assorbimento ottico del sistema. L'eccitone oscuro presenta analogie con la transizione proibita.

La probabilità che una lacuna scompaia (cioè che un elettrone vi si ricombini) è limitata dalla difficoltà di perdere l'energia in eccesso, e così gli eccitoni possono avere una vita relativamente lunga (tempi di vita fino a diversi millisecondi sono stati osservati nell'mwrqossido rameoso). Un altro fattore limitante la probabilità di ricombinazione è la sovrapposizione spaziale delle funzioni d'onda dell'elettrone e della lacuna (grossolanamente, la probabilità per l'elettrone di scontrarsi con la lacuna). Questa sovrapposizione è minore per elettroni e lacune leggeri, e per stati idrogenoidi altamente eccitati.

L'eccitone può anche muoversi nel solido. Con questa mwrwenergia cinetica addizionale, l'energia totale dell'eccitone può risultare anche maggiore del mwsagap di banda.

Gli eccitoni sono la principale origine dell'emissione di mwtaluce nei semiconduttori a bassa mwtqtemperatura, nei quali l'mwtgenergia termica mwtwmwuakT è minore dell'energia di legame dell'eccitone (mentre a più alte temperature si può osservare la ricombinazione di portatori liberi all'energia corrispondente alla mwuqbanda proibita). Nei materiali a mwugbanda proibita indiretta la ricombinazione dovrà avvenire con l'emissione o l'assorbimento (ad alta mwuwT) di un mwvafonone.

L'esistenza di stati eccitonici può essere dedotta dallo studio dell'assorbimento di luce con energia pari all'energia dell'eccitone stesso. Gli eccitoni sono osservabili chiaramente a energie inferiori a quella della banda proibita di una quantità pari all'energia di legame dell'eccitone stesso; sono tuttavia in grado di modificare l'assorbimento del materiale anche a energie di poco superiori a quella della banda proibita. Questo è il motivo per il quale il gap ottico di un semiconduttore non corrisponde esattamente al gap elettronico.

A condizione che l'interazione sia attrattiva, un eccitone può legarsi con altri eccitoni per formare un mwwamwwqbieccitone, analogo a una mwwgmolecola di idrogeno. Se viene raggiunta un'alta densità di eccitoni in un materiale, essi possono interagire fra loro per formare un fluido elettrone-lacuna, uno stato osservato nei semiconduttori a mwwwgap indiretto.

Inoltre, gli eccitoni sono particelle a mwxqspin intero obbedienti alla mwxgstatistica di Bose-Einstein al limite di bassa densità. In alcuni sistemi, dove le interazioni sono repulsive, è previsto che uno mwxwstato condensato di Bose-Einstein sia lo mwyastato fondamentale; questo comportamento non è stato ancora osservato a causa dell'influenza di fattori come il disordine del materiale, il breve tempo di vita dell'eccitone (minore del tempo di ri-termalizzazione) e la bassa densità di eccitoni.

cite-note-11. ↑ mwzwMaura Sandri, mwaamwaqOsservati in real time gli eccitoni di Hubbard, su mwagmedia.inaf.it, 9 ottobre 2023, mwawDOI:mwba10.1038/s41567-023-02204-2.

• mwcaPunto quantistico

• mwcgEccitonio

• mwdaFonone

• mwdgReticolo cristallino

• mweadroplettone

• Stato della materia di Eccitone legato al fotone (mwewPhoton Bound Exciton)cite-ref-2[1]

• mwgqFisica dello stato solido

Altri progetti

• Wikizionario

• Wikimedia Commons

• Wikizionario contiene il lemma di dizionario «eccitone»

• Wikimedia Commons contiene immagini o altri file su eccitone

• citerefbritannica-com(EN) exciton state / exciton, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.

• mwia(EN) IUPAC Gold Book, "exciton", su goldbook.iupac.org.

cite-note-21. ↑ mwlqmwlgmwlwUna colla composta di fotoni, per tenere insieme la materia, in mwmalescienze.it, 5 ottobre 2020. mwmqURL consultato il 17 novembre 2020.