Непрямые оптические переходы немного «охлаждают» материал?

Итак, я читаю у Эшкрофта и Мермина о непрямых оптических переходах:

ЯВЛЯЮСЬ

Итак, входит фотон, и он возбуждает электрон через непрямую запрещенную зону только в том случае, если фонон с соответствующим волновым вектором может «помочь» электрону, придав ему импульс (они указывают, что импульс фотона пренебрежимо мал). Во-первых, означает ли это, что если фотон приходит и ему не помогают никакие фононы, то он не поглощается, а, скорее всего, отражается? Или что-то еще почти наверняка поглотит его?

Во-вторых, когда фонон « помогает » электрону, значит ли это, что в результате кристалл стал холоднее, потому что решеточных колебаний стало меньше/менее мощные (поскольку фонон потерял часть импульса)?

Кристалл, безусловно, получил энергию от фотона, но теперь эта энергия просто в виде... электрона, имеющего более высокое энергетическое состояние? (Это действительно то, куда «ушла» энергия? Мы просто говорим, что электрон находится в более высоком энергетическом состоянии, и это все?) В отличие от кинетической энергии кристалла, которая кажется, что она уменьшилась.

Если это возможно (я готов сказать, что это не так), можно ли его увеличить и аккуратно сделать для охлаждения определенных полупроводников?

Спасибо!

Если электрон не уйдет куда-то, он отдаст свою энергию, когда система вернется к тепловому равновесию. Итак, в конце концов, температура вашей системы повысилась, а не понизилась. Но я не знаю, какой ведущий процесс для релаксации энергии является полупроводником с непрямой щелью, может быть, это зависит от деталей. Вероятно, вы найдете ответ, если будете искать экситоны в полупроводниках с непрямой щелью.
То, о чем вы думаете, очень похоже (но не совсем то же самое) на «лазерное охлаждение». Последняя Нобелевская премия была присуждена Дэвиду Вайнленду за новаторскую работу в области лазерного охлаждения. Основное «непрофессиональное» описание таково: если материал имеет определенную энергию перехода от Е 1 к Е 2 потом светишь слегка "красно расстроенным" лазером ℏ ю ≲ Е 2 − Е 1 такой, что ℏ ю + ℏ ю м знак равно Е 2 − Е 1 ты поглотишь фотон ( ℏ ю ) и фонон ( ℏ ю м ) и излучают еще один фотон в ю е м я т знак равно ( Е 2 − Е 1 ) / ℏ . Так вы "съели" фонон навсегда!
@NanoPhys: Так работают магнитооптические ловушки, но для эффективного охлаждения твердотельной системы почти все ваши экситоны должны распасться на фотоны — возможно ли такое?
@BebopButUnsteady: Твердотельное лазерное охлаждение, хотя и технически сложное, по-прежнему является очень многообещающей областью, отчасти из-за их распространенности и увеличения внешней квантовой эффективности при снижении температуры. С технологической точки зрения нам нужно беспокоиться об уменьшении поверхностной рекомбинации, повышении эффективности экстракционной люминесценции и т. д., и это лишь некоторые из них. Тем не менее, люди все еще работают над этими вопросами и делают успехи в этой области. Например, ознакомьтесь с этой недавней статьей: dx.doi.org/10.1038/nphoton.2013.87 .
Небольшое уточнение: под твердотельным лазерным охлаждением я подразумеваю полупроводниковое лазерное охлаждение. Я не имел в виду ионно-легированные стекла и кристаллы.
@BebopButUnsteady в OP упоминается «(они указывают, что импульс фотона незначителен)». Должны ли это быть фотоны определенных частей электромагнитного спектра, такие как видимый свет, потому что фотоны гамма-длины волны имеют более чем достаточный импульс, чтобы помочь прыжку?

Ответы (2)

Насколько мне известно, для преодоления разности волновых векторов q, необходимой для поглощения фотона, фонон может либо поглотиться, либо испуститься. Чтобы избежать второго случая, очевидно, нужно было бы точно контролировать энергию и импульс падающих фотонов.

На ваш вопрос о том, куда делась энергия: вся энергия кристалла может храниться только в составляющих, из которых он состоит (основные ионы и электроны), и во взаимодействиях между ними. Так что да, переход электрона в более высокое энергетическое состояние — это именно эффект поглощения фотона, и, таким образом, общая энергия кристалла должна была соответственно возрасти.

Я думаю, что то, что BebopButUnsteady уже упомянул в своем комментарии, должно иметь смысл: даже поглотив фонон, общая энергия кристалла увеличилась, и как только он релаксирует в термическое равновесие, вы можете даже получить больше фононов, чем раньше . Помните, что фононы — это бозоны (и даже квазичастицы), поэтому они не связаны с сохранением числа частиц, поэтому их количество и энергия будут просто соответствовать статистике бозонов и внутренней энергии системы (не помню подробностей...) .

  1. Действительно, в описанном вами случае, если фонон с определенными характеристиками (соотношением дисперсии), которые соответствовали бы требованию сохранения энергии и импульса, недоступен, фотон будет отражаться на той же частоте.

  2. Когда фонон доступен, и он поглощается или излучается, энергия кристалла изменяется. Небольшая, но важная поправка: это происходит не «потому что фонон отдал какой-то импульс», а потому что с этим импульсом он отдал некоторую энергию.

Энергетический баланс таков, что разница в энергии двух фотонов ( Е о − Е я ) равны в разности тел ( i - входящий, o - исходящий). Внутри тела мы можем определить два «канала» энергии: изменение энергии электрона, Δ Е е , а изменение энергии из-за испускания или поглощения фонона, Δ Е п час . Все три величины, в принципе, могут иметь любой знак (при условии сохранения полной энергии): ( Е о − Е я знак равно Δ Е е + Δ Е п час ) .

Вы можете взглянуть на рис.3 этой статьи: http://www-personal.umich.edu/~kaviany/researchtopics/Xulin_JHT%20Review%20Laser%20Cooling%20of%20Solids%20%282%29.pdf ( Пожалуйста, не обращайте внимания на правую часть рисунка, которая описывает безызлучательную рекомбинацию электрона [и дырки] — это не имеет прямого отношения к заданным вами вопросам.)

Один из аспектов поднимаемого вами вопроса состоит в том, что есть колебательная энергия кристаллической решетки/ионов («ионная температура»), и есть энергия электронов (можно ввести эффективную «электронную температуру»). Когда электроны не находятся в равновесии (т.е. не занимают нижние доступные состояния), электронная температура может быть выше. В вашем случае испускание фонона(ов) снижает температуру кристалла, но повышает электронную.

Есть разные вещи, которые могут произойти с возбужденным электроном, чтобы уравновеситься, т. е. чтобы его температура стала равной температуре кристалла (в конце концов): он может утечь (если к нему присоединен другой проводник) - это электрический ток, или он может перейти в более низкое энергетическое состояние за счет некоторого взаимодействия с решеткой (зависит от системы). Последний процесс повысит температуру решетки.

Непрямые оптические переходы немного «охлаждают» материал?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v