トリオン（物理学）

トリオンは、 3 つの荷電粒子の束縛状態です。結晶内の負に帯電したトリオンは 2 つの電子と 1 つの正孔から構成され、正に帯電したトリオンは 2 つの正孔と 1 つの電子から構成されます。トリオンの結合エネルギーは、主に 2 つの電子 (正孔) 間の交換相互作用によって決まります。負に帯電したトリオンの基底状態はシングレット( 2 つの電子の合計スピンS =0) です。トリプレット状態 (2 つの電子の合計スピン S =1) は、追加の電位または十分に強い磁場がない場合には束縛されません。

励起子と同様に、トリオンは光励起によって生成されます。入射光子は励起子を生成し、この励起子は追加の電子（正孔）と結合してトリオンを生成します。励起子が余分な電子に結合する時間は、励起子の形成時間と同じ程度です。そのため、トリオンは発光スペクトルだけでなく、吸収スペクトルや反射スペクトルでも観測されます。

トリオン状態は1958年に理論的に予測されました。^[1]トリオン状態は1993年にロナルド・コックスと共著者によってCdTe/Cd _1−x Zn _x Te量子井戸で初めて実験的に観測され、 ^[2]その後、さまざまな他の半導体構造でも観測されました。^{[3] [4] [5]}近年、量子ドットのトリオン状態が活発に研究されています。^{[6] [7] [8] [9]}ナノチューブでトリオン状態が存在することは実験的に証明されており^[10]理論的研究によって裏付けられています。^[11] 特に興味深いのは、遷移金属ジカルコゲニドの原子的に薄い2次元 (2D) 層におけるトリオンの研究です。^{[12] [13] [14]}このような材料では、遮蔽が弱まるため、電荷キャリア間の相互作用が何倍にも強化されます^[15]

トリオンの重要な特性は、その基底状態が一重項であることです。その結果、十分に大きな磁場の中で、すべての電子がスピン偏極しているように見える場合、トリオンは1つの円偏光の光の作用下でのみ生成されます。この偏光では、適切な角運動量を持つ励起子が一重項トリオン状態を形成します。^[16]反対の円偏光を持つ光は、トリオンの三重項状態のみを形成できます。

束縛状態の形成に加えて、励起子と電子の相互作用は、電子による励起子の散乱につながる可能性があります。磁場では、電子スペクトルは離散的になり、電子によって散乱された励起子の状態は、「励起子サイクロトロン共鳴」（ExCR）の現象として現れます。^[17] ExCRでは、入射光子が励起子を生成し、これにより追加の電子がランダウ準位間で移動します。逆のプロセスは「シェイクアップ」と呼ばれます。^[18]この場合、トリオンの再結合は、ランダウ準位間の追加の電子の遷移を伴います。

励起子と三重イオンのエネルギーは近いため、三重イオンが電子を「失って」励起子になり、励起子が電子を「捕獲して」三重イオンになるというコヒーレントな束縛状態を形成できる。電子の損失と捕獲の間に電子が消散する時間がない場合、励起子ポラリトンに似た混合状態が形成される。^[19]このような状態は、量子井戸や二カルコゲニドの単層で確実に観測されている。

高密度電子ガスの存在下での励起子と電子の相互作用は、いわゆる「スリステトロン」の形成につながる可能性がある。^[20]これは、フェルミ海における励起子、電子、正孔の4つの粒子の状態である。