Action d'un champ magnétique sur les trions excitoniques dans les semiconducteurs

Abstract

Les trions excitoniques sont des quasiparticules chargées et mobiles, pouvant résulter, dans certaines conditions, de la liaison d’un "exciton" (paire électron – trou liée) avec un électron ou un trou libre dans les semiconducteurs. Ils font partie des états excités électroniques dont l’étude présente un très grand intérêt tant des points de vue pratique que théorique. Elle permet de comprendre les mécanismes des recombinaisons radiatives contrôlant le fonctionnement de certains dispositifs utilisés en optoélectronique. Elle fournit à la physique fondamentale des modèles de systèmes formés de particules ou de quasiparticules couplées, susceptibles d’une analyse expérimentale et théorique très fine. Les trions excitoniques sont susceptibles de donner lieu à des propriétés très originales résultant de leur mobilité et de leur charges. Toutefois, leur existence n’a été établie que dans un nombre limité de semiconducteurs. En effet, leur identification expérimentale est compliquée par le fait que dans les spectres optiques les raies d’excitons, de biexcitons et de trions sont souvent très proches, comme le montrent les calcules théoriques des énergies de liaisons. Dans cette étude nous montrons comment l’action d’un champ magnétique permet de distinguer les trions des autres complexes excitoniques. A cet effet, nous déterminons les niveaux d’énergie des trions excitoniques en champ magnétique dans l’approximation de la masse effective. Nous montrons dans quelles conditions le mouvement du centre de masse dans un plan perpendiculaire à la direction du champ donne lieu à l’apparition de niveaux de Landu, analogues à ceux observés pour une particule libre et chargée soumise à un champ magnétique. Nous calculons la contribution à l’énergie totale due au mouvement relatif des trois particules en résolvant de façon variationelle l’équation de Schrödinger. Les résultats obtenus montrent que le champ magnétique stabilise la liaison par suite du rétrécissement des orbitales. Nous déterminons le coefficient d’absorption des transitions dipolaires électriques entre des états d’électrons libre et des états de trions négatifs. Ce dernier présente une série d’oscillations dont les maxima correspondent aux différents niveaux de Landau. Enfin nous discutons de l’influence de la température sur les transitions optiques. L’intérêt essentiel de la présence étude est de mettre en évidence, pour la première fois, l’existence de niveaux de Landau et d’une magnétoabsorption oscillatoire, associés aux niveaux électroniques des trions excitoniques. Ces propriétés, originales et spécifiques, sont dues à la mobilité et à la charge des centres de masse des trions excitoniques. Elles devraient permettre une meilleure identification excitoniques. Elles devraient permettre une meilleure identification des trions excitoniques et stimuler des recherches expérimentales sur la mobilité des excitons et leur aptitude à capter des électrons libres.