Влияние магнитного поля на стабилизацию состояний водородоподобных примесных центров

В лабораторных условиях воздействие магнитного поля на атом приводит к снятию вырождения по направлениям углового момента (эффекты Зеемана и Пашена-Бака), а также к слабому диамагнитному сдвигу высоко лежащих энергетических уровней; однако внутренняя структура атома (распределение электронной плотности) и его энергетический спектр (если не принимать во внимание расщепление уровней в магнитном поле, которое мало по сравнению с энергией связи атомных электронов) при этом практически не изменяются. Действие магнитного поля становится существенным в достаточно сильных полях, таких, когда энергия циклотронного движения свободного электрона , где т - масса свободного электрона, становится порядка энергии связи частиц в атоме, а магнитная длина  - порядка радиуса атома. Для атома водорода, например, это поля напряженностью B ~ 12500 Тл, не достижимой при современных экспериментальных возможностях. Поэтому о свойствах атомов в сильных магнитных полях можно узнать либо из данных астрофизических наблюдений, либо из экспериментов на модельных системах.

По-видимому, наиболее привлекательными объектами для таких исследований являются экситоны и атомы водородоподобных примесей в полупроводниках. Благодаря большой диэлектрической проницаемости среды и малым эффективным массам электронов и дырок типичные значения энергий связи экситонов  и атомов водородоподобных примесей на 3-4 порядка величины меньше, чем атома водорода, а их боровские радиусы больше на 2-3 порядка. В полях одинаковой напряженности циклотронная частота носителей заряда в полупроводнике больше, чем свободного электрона, в т/т* раз, т*- эффективная масса электрона. Поэтому уже магнитное поле напряженностью B ~ 10 - 20 Тл является сильным для экситонов и атомов мелких примесей.

Теоретически поведение атомов водородоподобных примесей в сильных магнитных полях рассмотрено в работах [9-11], экситонов - в [12-14]. Магнитное поле стабилизирует экситонные (атомные) состояния. В слабых полях энергия связи возрастает, так как энергия свободного электрона (циклотронная частота) с ростом напряженности поля увеличивается линейно, а связанного в атоме - квадратично (диамагнитный сдвиг). В сверхсильных полях ( ) основной вклад в центростремительную силу при вращении электрона вокруг ядра в плоскости, перпендикулярной направлению поля, дает сила Лоренца (кулоновское взаимодействие электрона с ядром (с дыркой в экситоне) можно рассматривать как возмущение). Экситон (атом) сильно анизотропен; он имеет форму эллипсоида вращения, вытянутого вдоль направления поля, с полуосями аех в продольном направлении и аB в поперечном. Его энергия связи  растет пропорционально ln2B при увеличении напряженности поля. Такие экситоны были названы диамагнитными [17].

Экспериментально эффекты, связанные с увеличением энергии ионизации мелких доноров в магнитном поле, впервые наблюдались в сильнолегированном антимониде индия (магнитное вымораживание примесей). Обширная информация о свойствах экситонных состояний была получена в магнитооптических экспериментах, весьма подробно рассмотренных в обзоре [15] и монографии [16].