Квазичастицы в наноструктурах

Содержание
Введение
Наноструктуры и их классификация
Конденсированная материя
Квазичастицы и их характеристики
Виды квазичастиц
Фононы
Квазиэлектрон
Электроны проводимости и дырки
Полярон
Экситоны
Магнон
Плазмоны
Поляритоны
Полярон
Куперовская пара
Флуктоны и фазоны
Спиноны, хононы, орбитоны
Электроны и дырки
Заключение
Список источников

Введение
Исследования наноструктур начинаются с середины двадцатого столетия. Эти исследования важны для решения фундаментальных научных проблем и для перспективного создания на основе открытых явлений совершенно новых квантовых устройств и систем с широкими функциональными возможностями.
Вводимое в физику понятие квазичастица позволяет упростить описание сложных квантовых систем, таких как твёрдые тела и квантовые жидкости.

Введение
Наноматериалы обладают исключительными свойствами, что делает их уникальными и перспективными для использования.
Вводимое в физику понятие квазичастица позволяет упростить описание сложных квантовых систем, таких как твёрдые тела и квантовые жидкости. Например, чрезвычайно сложное описание движения электронов в полупроводниках может упроститься введением квазичастицы под названием электрон проводимости, отличающейся от электрона массой и движущейся в свободном пространстве.

Целью данного реферата является:
описать поведение квазичастиц в наноструктурах.
Исходя из цели, вытекают следующие задачи:
Дать определение квазичастицам и наноструктурам;
Классифицировать наноструктуры по разным признакам;
Рассмотреть свойства квазичастиц.

1. Наноструктуры и их классификация
Структурные единицы вещества — это строительный материал, из которого состоит материя.
Наноструктуры (согласно определению Большой российской энциклопедии) – это собирательное название объектов(веществ, материалов, конструкций) искусственного или естественного происхождения, представляющих собой совокупность элементов, размеры которых лежат в пределах от нескольких нанометров до нескольких десятков нанометров и не превышает 100 нм.

1. Наноструктуры и их классификация
Живая природа состоит в основном из элементов и блоков в единицы и десятки нанометров. Например, ракушки моллюсков, волосы, сажа, пыльца цветов, цемент являются наноструктурированными, обладают необычными свойствами, известными и используемыми очень давно.

1. Наноструктуры и их классификация
Начиная с середины ХХ столетия внимание ученых сосредоточилось на объектах нанометрового масштаба (10-7 – 10-9)м .
Уровень наноразмеров – это уровень перехода от законов классической механики к действию законов квантовой механики.

Классификация наноструктур
по:
Размерности;
Морфологии(геометрической форме);
Агрегатному состоянию;
Взаимному пространственному положению структурных элементов и др.

По размерности наноструктуры подразделяют на:
Нульмерные(0D) кластеры и наночастицы(нанокристаллы);
Одномерные(1D) волоконные;
Двумерные(2D) пленочные и многослойные;
Трехмерные поликристаллические наноструктуры (3D).

Морфология
Зависит от их состава, кристаллической структуры и способа получения.
сферической,
стержневой,
трубчатой,
игольчатой и др. форм.

Рис. 1. Наноструктура карбида ванадия.
Рис. 2. Типы полупроводниковых наностурктур: а- квантовая точка селенида кадмия CdSe; б – квантовые проволоки из коисленных медных волокон толщиной 2-4 нм на поверхности молибдена; в- квантовая яма, поперечное сечение GaP – GaPN со сферхтонким слоем фосфида галлия GaP на кремниевой подложке.

2. Конденсированная материя
Конденсированная материя — это чрезвычайно сложное образование. Она представляет собой систему сильно взаимодействующих структурных единиц, совершающих сложные колебательные движения как целое.
Наиболее широко используются в настоящее время квазичастичные методы описания возбуждённых состояний конденсированных сред.

Л.Д. Ландау Я.И. Френкель И.М. Лифшиц

3. Квазичастицы и их характеристики
В том случае, когда элементарные возбуждения, на которые можно разложить состояние ансамбля структурных единиц при низких уровнях возбуждения, могут распространяться в среде, их принято называть квазичастицами.
Если квазичастицы существуют достаточно долго в неизменном виде, они подобны частицам, т.е. характеризуются определёнными значениями энергии и импульса.

Идея существования квазичастиц была впервые выдвинута Л.Д. Ландау в 40-х годах прошлого века.

Квазичастицы можно разделить на два типа
Элементарные возбуждения, которые после выключения взаимодействия структурных единиц переходят в частицы идеального газа.
Элементарные возбуждения, которые обусловлены исключительно силами взаимодействия между структурными единицами и отсутствуют в идеальном газе структурных единиц.

Основные характеристики квазичастиц :
Энергия;
Квазиимпульс;
Закон дисперсии – зависимость энергии квазичастицы от ее квазиимпульса;
Эффективная масса – условное понятие, зависящее от способа ее определения и описывающее поведение квазичастицы при определенных внешних условиях;
Константа взаимодействия – заряд;

Основные характеристики квазичастиц :
Константа взаимодействия – заряд;
Статистика, которой описывается «ансамбль» квазичастиц;
Энергетический спектр – структура энергетических состояний, в которых может находиться квазичастица;
Функция спектральной плотности состояний, описывающая зависимость числа состояний, в которых может находиться частица в интервале энергий, от энергии частицы.

4.1 Фононы
Впервые обнаружил в 1930 году советский физик Игорь Евгеньевич Тамм.
Фонон – это квант колебаний атомов в узлах кристаллической решетки, которые волнообразно распространяются вдоль нее.

4.2 Квазиэлектрон
Электрон в электронном газе с однородным фоном положительного заряда отталкивает от себя другие электроны и таким образом оказывается окруженным положительным экранирующим облаком. Электрон плюс экранирующее облако и образуют квазиэлектрон.

4.3 Электроны проводимости и дырки
Находясь в периодическом потенциале кристалла, электрон рассматривается как квазичастица, эффективная масса корой может значительно отличаться от массы покоя электрона.
Дырка – незаполненная валентная связь, которая проявляет себя как положительный заряд, по абсолютной величине равный заряду электрона.

4.4 Полярон
Понятие о поляроне введено советским физиком Пекаром в 1946 году.
Полярон – составная квазичастица в кристалле, состоящая из электрона и сопровождающего его поля упругой деформации(поляризации) решетки.

4.5 Экситоны
Экситон (от лат. «эксито» - «возбуждаю») – квазичастица, представляющая собой электронное возбуждение в диэлектрике, полупроводнике или металле, мигрирующее по кристаллу и не связанное с переносом электрического заряда и массы.
Представление об экситонах было введено Я.И. Френкелем в 1931 году.

4.6 Магнон
Магнон – квазичастица, соответствующая элементарному возбуждению системы взаимодействующих спинов, то есть, магнон соответствует кванту спиновых волн в магнитоупорядоченных средах.
Бертрам Брокхауз
Феликс Блох

4.7 Плазмоны
Плазмон (иначе квант плазменных колебаний) – квазичастица, отвечающая квантованию плазменных колебаний, которые представляют собой коллективные колебания плотности заряда свободного электронного газа.

4.7 Плазмоны
Термин «плазмон» был введён в 1952 году американскими физиками Дэвидом Пайнсом и Дэвидом Бомом.

4.7 Плазмоны
Объемные плазмоны описывают колебания электронов внутри ионной решетки кристалла.
Поверхностные плазмоны – это кванты колебаний плотности свободных электронов металла, распространяющихся только вдоль его границы с диэлектриком.

4.8 Поляритоны
Поляритон – составная квазичастица, возникающая при взаимодействии фотонов с электронными возбуждениями среды – оптическими фононами, экситонами, плазмонами, магнонами.

4.8 Поляритоны
Впервые спектр поляритона был рассмотрен советским физиком Кириллом Толпыго в 1950 году.

4.9 Куперовская пара
Куперовская пара представляет собой два электрона с противоположными импульсами и, следовательно, с нулевым полным импульсом, связанных за счет испускания и поглощения фонона.
Ввел понятие Леон Купер в 1956 году.

4.10 Флуктуоны и фазоны
Флуктуон – составная частица, образованная в среде электроном, локализованным в потенциальной яме.
Фазон - это флуктуон, сопровождающийся изменением фазы.

4.11 Спиноны, хононы, орбитоны
Существование было предсказано в 1980 году.
Хонон переносит только заряд, в то время как спинон переносит только спин, орбитон определяет орбитальное положение электрона.
Увидеть спиноны и холоны удалось в 2009 году, хотя разделили электрон еще в 1996 году.

Заключение
Наноиндустрии придается значительная роль.
Использование нанотехнологий приводит к прогрессу прежде всего в сфере энергетики, в том числе солнечной, электроники, биологии, медицины.
Изучение, развитие и практическое применение наноматериалов и нанотехнологий позволит улучшить качество и увеличить продолжительность жизни людей, повысить производительность труда, оптимизировать распределение и использование ресурсов.