Thăng giáng exciton ngưng tụ của hệ điện tử - lỗ trống mất cân bằng khối lượng

Nghiên cứu ghép cặp fermion trong các hệ điện tử nhiều hạt tương quan là một chủ đề hấp dẫn trong vật lý. Khi nhiệt độ đủ thấp, các hạt boson có thể ngưng tụ ở trạng thái lượng tử kết hợp, điển hình là cặp Cooper trong lý thuyết siêu dẫn BCS. Trong các hệ có chuyển pha bán kim loại - bán dẫn, exciton – một giả hạt tạo bởi sự ghép cặp điện tử ở dải dẫn và lỗ trống ở dải hóa trị – cũng có thể ngưng tụ ở trạng thái điện môi exciton (EI). Để khảo sát trạng thái EI, các mô hình điện tử hai mức năng lượng có tính tới tương tác Coulomb, như mô hình Falicov-Kimball mở rộng (EFK), thường được sử dụng. Đặc biệt, vai trò của phonon trong việc hình thành và ổn định trạng thái EI đã được thực nghiệm khẳng định. Bài báo này tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của sự mất cân bằng khối lượng lên sự hình thành trạng thái EI khi có đóng góp của tương quan điện tử-phonon, sử dụng mô hình EFK trong gần đúng Hartree-Fock.

Bài báo này hướng đến các nhà nghiên cứu, học giả và sinh viên trong lĩnh vực vật lý chất rắn, vật lý ngưng tụ, và vật liệu bán dẫn, đặc biệt là những người quan tâm đến hiện tượng ngưng tụ exciton, tương quan điện tử-phonon và các mô hình lý thuyết trong vật lý nhiều hạt.

Bài báo này trình bày nghiên cứu về thăng giáng trạng thái ngưng tụ exciton trong hệ điện tử - lỗ trống có sự mất cân bằng khối lượng, sử dụng mô hình Falicov–Kimball mở rộng có tính đến tương quan điện tử - phonon. Chúng tôi đã thu được công thức giải tích xác định hàm cảm ứng exciton phụ thuộc vào xung lượng và tần số dựa trên kết quả tự hợp gần đúng Hartree-Fock. Các kết quả tính toán số cho thấy khi nhiệt độ giảm, hàm cảm ứng exciton tĩnh tăng nhanh và phân kỳ khi nhiệt độ tiến tới một giá trị tới hạn, được gọi là nhiệt độ chuyển pha trạng thái ngưng tụ exciton. Điều này chứng tỏ sự tăng cường của thăng giáng trạng thái exciton khi nhiệt độ giảm. Khi sự mất cân bằng khối lượng giảm, thăng giáng trạng thái ngưng tụ exciton tăng lên. Tuy nhiên, nếu khối lượng của điện tử hóa trị đủ nhỏ, độ linh động của chúng tăng lên, làm giảm liên kết cặp exciton và do đó làm suy giảm thăng giáng trạng thái exciton. Sự suy giảm này có thể được bù trừ bằng cách tăng thế tương tác điện tử - lỗ trống. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng thế tương tác điện tử - phonon đóng vai trò quan trọng trong việc mở rộng vùng thăng giáng trạng thái exciton kết hợp khi giảm mất cân bằng khối lượng. Kết quả này khẳng định vai trò đáng kể của cả mất cân bằng khối lượng và tương tác điện tử - phonon trong việc ảnh hưởng đến bức tranh thăng giáng trạng thái ngưng tụ exciton trong các hệ có chuyển pha bán kim loại - bán dẫn.