励起子とは？わかりやすく解説

励起子（れいきし、exciton）とは、半導体又は絶縁体中で電子と正孔の対がクーロン力によって束縛状態となったもの。エキシトンとも呼ばれる。

励起子の生成

励起子の生成は多くの場合光励起などによる電子-正孔の対生成によって起こり、このことがその名の起源ともなっている。光励起による励起子は以下のように生成される。

光などの励起によって、絶縁体又は半導体の価電子帯の電子が伝導帯に遷移して、価電子帯に正孔が、伝導帯に電子が形成される。
正孔は正の電荷を持つため、負の電荷を持つ電子との間にクーロン引力が生じる。この状態は、簡単には水素原子における核（陽子）と電子と同様の取り扱いができる。
陽子と電子がペアを組んだ状態が水素原子であるように、電子と正孔がペアを組んだ状態を一つの粒子として取り扱うことができ、この状態を励起子という。励起子は非金属結晶中における代表的な電子励起状態であり、光学特性に大きく寄与する。

上記では価電子帯の正孔と導電体の電子による励起子を説明したが、励起された正孔と励起された電子でも励起子をつくることができる。

励起子のエネルギーは、電子と正孔の重心運動エネルギーと相対運動エネルギーの和である。相対運動の波動関数の広がりが、格子間隔に比べてかなり大きい場合はワニエ励起子、小さい場合はフレンケル励起子と呼ばれる。

励起子を生成するために必要なエネルギーは、電子・正孔間の束縛エネルギーの分だけバンドギャップエネルギーよりも低い。つまり励起子状態は電子と正孔が孤立している状態よりも安定である。したがって、反射スペクトルにおいては、バンド間遷移による連続スペクトルよりも低エネルギー側に鋭いピークとなって現れる。

いかなるときも普遍である硬い格子を伝播する励起子は自由励起子と呼ばれる^[1]。自由励起子は結晶中を自由に動くことができる。

原子、分子が格子振動している変形可能な格子を伝播する励起子は、格子振動との相互作用により、大きく性質を変化させる。この励起子-格子相互作用により、結晶格子が大きく歪んだ状態では、励起子は特定の場所に局在する。このような現象を励起子の自己束縛と呼び、この励起子を自己束縛励起子と呼ぶ^[1]。

表話編歴物性物理学
物質の状態	固体液体気体ボース＝アインシュタイン凝縮フェルミ凝縮フェルミ気体フェルミ液体超固体超流動朝永–ラッティンジャー液体時間結晶
相現象	秩序変数相転移
電子相	バンド構造絶縁体モット絶縁体半導体半金属電気伝導体超伝導熱電効果ゼーベック効果ペルティエ効果トムソン効果圧電効果強誘電体スピンギャップレス半導体
電子現象	ホール効果量子ホール効果スピンホール効果 Berry位相アハラノフ＝ボーム効果ジョセフソン効果近藤効果
磁気相	反磁性超反磁性常磁性超常磁性強磁性反強磁性フェリ磁性メタ磁性スピングラス
準粒子	フォノン励起子プラズモンポラリトンポーラロンマグノン
ソフトマター	アモルファス粉粒体液晶重合体
科学者	マクスウェルファン・デル・ワールスデバイブロッホオンサーガーモットパイエルスランダウラッティンジャーアンダーソンバーディーンクーパーシュリーファージョゼフソンコーンカダノフマイケル・フィッシャー
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