固体物理学的固体的元激发

在固体中，粒子之间种种各具特点的耦合方式，导致粒子具有特定的集体运动形式和个体运动形式，造成不同的固体有千差万别的物理性质。W.哈密顿在1839年讨论了排成阵列的质点系的微振动。1907年爱因斯坦首先用量子论处理固体中原子的振动。他的模型很简单，各个原子独立地作同一频率的振动。P.德拜在1912年采用连续介质模型重新讨论了这问题，得到固体低温比热容的正确的温度关系。M.玻恩和von.卡门同时开始建立点阵动力学的基础。在原子间的力是简谐力的情况下，晶体原子振动形成各种模式的点阵波。这种波的能量量子称为声子。它对固体的比热容、热导、电导、光学性质等都起重要作用。离子晶体中离子振动同电磁场发生作用，影响着晶体的介电性质和光学现象。50年代黄昆提出电磁场振荡和极性晶体的横向光频支点阵波相互作用形成新的耦合模式。后来，人们称此模式为电磁耦合场振荡，相应的能量量子称为极化激元。

D.派尼斯和D.玻姆在1953年提出：由于库仑作用的长程性质，固体中电子气的密度起伏形成纵向振荡，称为等离子体振荡。这种振荡的能量量子称为等离激元。实验证明，电子束通过金属薄膜的能量损耗来源于激发电子气的等离激元。考虑到电子间的互作用，能带理论的单电子状态变成准电子状态，但准电子的有效质量包含了多粒子相互作用的效应。同样，空穴也变成准粒子。在半导体中电子和空穴之间有屏蔽的库仑吸引作用，它们结合成激子，这是一种复合的准粒子。

固体的元激发实际上是有关多粒子体系的特定运动形式的基元。它们可分成两类：费密子和玻色子。金属和半导体中的电子和空穴，以及极性晶体中的极化子都是费密子，它们服从费密统计。它们代表体系的单粒子激发，可用有效质量和动量描述其动力学性质。玻色子服从玻色统计。在固体中声子、等离激元、磁有序物质中的自旋波量子等都是玻色子。它们描述体系中粒子集体运动的能量量子。极化激元是横向光频支声子和光子组合的复合粒子。激子也可以用光子耦合形成另一种极化激元。这两种极化激元都是玻色子。研究固体的元激发和有关的物性已经成为重要的领域，在这方面，理论上的量子统计物理方法、实验上的各种光谱和电子能谱技术都起着巨大的作用（见点阵动力学、固体的多电子量子理论）。

固体中原子或电子的数密度都是很高的。原子之间、电子之间、电子自旋之间都有相互作用，产生不同的集体运动形式，都有各自的基态和低能量激发的基元，即元激发。各种元激发可分成玻色子和费米子两类，服从不同的统计分布规律。晶体原子间简谐力的作用产生的集体运动是各种模式的格波，其元激发是声子。金属电子气里电子库仑互作用产生等离子体振荡，其元激发是等离体子。黄昆提出极性晶体的横向光频支格波与光波电磁场互作用产生电磁耦合场振荡，其元激发为电磁耦合子。磁有序结构固体中电子自旋之间互作用产生自旋波，其元激发是自旋波量子。这些元激发都是玻色子。导体中的电子和空穴，离子晶体中电子带着晶格畸变运动所形成 的极化子，以及超导态的库珀对被拆开形成的正常电子都是费米子。

固体物理学像20世纪物理学一样，量子力学效应、对称性和相位是其主旋律。固体相变和临界现象依赖于材料的结构和基本性质，但也有共同的规律，即相变的序参量变化、临界现象的标度律和普适性。杂质和缺陷破坏了晶格的完整性，影响各种物性，故对固体的技术应用是至关重要的。固体物理学正向结构复杂的、低维的、纳米的和有机的固体以及软物质、生命物质领域发展，并与液氦、液体和流体物理研究合流，形成更为重要的学科——凝聚态物理学。

激子效应对半导体中的物理过程和光学性质具有重要的影响.激子的吸收和复合直接影响半导体的光吸收和发光，而且，作为固体中的一种元激发，其状态与母体材料的电子能带性质和外场的作用紧密相关.此外，自由激子在半导体中可以受到杂质或缺陷中心在空间上的束缚，形成所谓的束缚激子。其吸收谱线能量位置略低于自由激子的吸收谱线.激子在电中性缺陷上的束缚过程大致可分为两种，它可以是一个自由激子整体地受到缺陷中心的束缚，也可以是一个电荷（电子或空穴）首先被缺陷的近程势所束缚，使缺陷中心带上电荷,然后再通过库仑互作用（远程势）束缚一个电荷相反的空穴或电子，形成束缚激子.束缚激子在半导体发光中有非常重要的地位.在间接带半导体材料中，由于动量选择定则的限制，材料的发光通常是很弱的，但如果存在束缚激子，其波函数在空间上是局域化的，因而发光跃迁的动量选择定则大大放松，无须声子参与就可能具有很大的发光跃迁几率.这样，间接带材料的发光效率将大大增强。

例如，在间接带Ⅲ-Ⅴ族半导体材料磷化镓（GaP）中，通过掺入Ⅴ族氮原子（或同时掺入能形成施主受主对的锌和氧），发光就可大大增强，其原因就是因为氮在晶格中代替磷位，是一种电中性的替位式等电子杂质.这种杂质中心由于其电负性与主晶格原子不同，原子尺寸不同等原因，在晶格中会产生作用距离较短的近程势，并使激子束缚在其位置附近形成束缚激子.实验上，在掺氮的GaP中已观测到单个氮原子以及成对氮原子所引起的很强的束缚激子发光，这类掺杂方法已成为制造GaP和GaAsP等可见光发光二极管的基本工艺.

激子是由库仑作用结合在一起的电子空穴对，其稳定性取决于温度、电场、载流子浓度等因素.当样品温度较高时，激子谱线由于声子散射等原因而变宽.而当kT(k是玻尔兹曼常数）值接近或大于激子电离能时，激子会因热激发而发生分解.所以，在许多半导体材料中，只有低温下才能观测到清晰的激子发光，而当温度升高后，激子谱线会展宽，激子发光强度降低，以至发生淬灭.另外，在电场的作用下，电子和空穴分别向相反方向运动，因而当半导体处于电场作用下时，激子效应也将减弱,甚至由于电场离化而失效.而当样品中载流子浓度很大时，由于自由电荷对库仑场的屏蔽作用，激子也可能分解.这些影响激子稳定性的物理因素在光电器件应用中，可以作为对激子效应和相关的光学性质进行可控调制的有效手段.但对发光和激光器件来说，特别是对一些需要在室温下大浓度注入条件工作的器件来说，将产生一些不利的影响，使激子效应的应用受到限制.总的来说，当激子束缚能较大时，激子相对比较稳定.如在宽禁带半导体材料（如Ⅱ-Ⅵ族化合物材料和氮化物）以及下面要更详细讨论的半导体量子阱等低维结构中，激子束缚能一般比较大，即使在室温下，激子束缚能也比kT大许多，吸收光谱中能看到明显的激子吸收，激子效应不易淬灭，甚至已实现了以激子复合效应为主的激光器件.