论文标题：Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in semiconductors

期刊：Communications Physics

作者：C. Nenstiel, G. Callsen, et al

发表时间： 2018/07/26

数字识别码：10.1038/s42005-018-0033-4

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《通讯-物理》发表的一篇论文Electronic excitations stabilized by a degenerate electron gas in semiconductors描述了一种在高质量半导体晶体中发现的新型准粒子——Collexon。可以印证准粒子存在的材料会表现出独特的光学特征和不同寻常的物理特性，这些特点对基础科学和应用科学都很重要。

图1：通过光致发光监测激子类复合体的稳定化。图源：Nenstiel et al.

在由许多不同粒子组成的微观复杂系统（如固体材料）中，每个粒子的运动都是复杂的，是该粒子与周围粒子之间的各种强烈相互作用的产物。为了可以更简单地了解这些系统的行为和特性，物理学家重新构想了固体，想象它们包含的是在自由空间中弱相互作用的粒子。这些“准粒子”具有不同的类型，可以带来有关材料特性的不同认知。

德国柏林工业大学的Christian Nenstiel及其同事将氮化镓半导体晶体中的原子替换为锗原子，他们在维持原始晶体结构的同时，实现了高浓度的原子取代。然而，这样的原子取代改变了晶体的物理特性——增加了固体中自由电子的浓度。通过分析这些经过特殊处理的晶体对光的吸收和发射，作者观察到了他们认为是Collexon的稳定性随着电子气密度的上升而上升的现象。他们认为这可能是所有半导体的标准特性——只要能够实现相同水平的原子取代即可。

图2：费米海中的Collexon激发。图源：Nenstiel et al.

如果这些发现可以得到理论研究的支持，那么Collexon可以被认为是半导体材料具有的共同特征。半导体是现代技术的基础，提高我们对其电子结构的理解，既有益于理论研究，也有益于应用研究。

摘要：Excitons in semiconductors and insulators consist of fermionic subsystems, electrons and holes, whose attractive interaction facilitates bound quasiparticles with quasi-bosonic character. In the presence of a degenerate electron gas, such excitons dissociate due to free carrier screening. Despite their absence, we found pronounced emission traces in the below-band-edge region of bulk, germanium-doped GaN up to a temperature of 100 K, mimicking sharp spectral features at high free electron concentrations (3.4E19–8.9E19 cm−3). Our interpretation of the data suggests that a degenerate, three-dimensional electron gas stabilizes a novel class of quasiparticles, which we name collexons. These many-particle complexes are formed by exchange of electrons with the Fermi gas. The potential observation of collexons and their stabilization with rising doping concentration is enabled by high crystal quality due to the almost ideal substitution of host atoms with dopants.

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（来源：科学网）