极子

极化子是凝聚态物理学中用于理解固体材料中电子和原子之间相互作用的准粒子。 极化子概念由 Lev Landau 于 1933 年和 Solomon Pekar 于 1946 年提出，用于描述电子在介电晶体中移动，其中原子从其平衡位置位移以有效屏蔽电子电荷，称为声子云。 这降低了电子迁移率并增加了电子的有效质量。

极化子的一般概念已经扩展到描述金属中电子和离子之间的其他相互作用，这些相互作用导致束缚态，或者与非相互作用系统相比能量降低。 主要的理论工作集中在求解 Fröhlich 和 Holstein 哈密顿量。 这仍然是一个活跃的研究领域，以找到大晶格中一个或两个电子的情况的精确数值解，以及研究许多相互作用电子的情况。

在实验上，极化子对于理解各种材料很重要。 极化子的形成会xxx降低半导体中的电子迁移率。 有机半导体对极化效应也很敏感，这在有效传输电荷的有机太阳能电池设计中尤为重要。 极子对于解释这些类型材料的光导率也很重要。

极化子是一种费米子准粒子，不应与极化子混淆，后者是类似于光子和光学声子之间杂化状态的玻色子准粒子。

在刚性晶格的周期势能中运动的电子的能谱称为布洛赫谱，它由准带和禁带组成。 能量在允许带内的电子作为自由电子移动，但其有效质量不同于真空中的电子质量。 然而，晶格是可变形的，原子（离子）从其平衡位置的位移用声子来描述。 电子与这些位移相互作用，这种相互作用称为电子-声子耦合。 Lev Landau 在 1933 年的开创性论文中提出了一种可能的情况，其中包括晶格缺陷（例如 F 中心）的产生以及该缺陷对电子的俘获。 Solomon Pekar 提出了一种不同的方案，设想用晶格极化（虚极性声子云）来修饰电子。 这种伴随变形的电子在晶体中自由移动，但有效质量增加。 Pekar 为这种电荷载体创造了术语极化子。

Landau 和 Pekar 构成了极化子理论的基础。 放置在可极化介质中的电荷将被屏蔽。 介电理论通过电荷载流子周围的极化感应来描述这种现象。 当载流子在介质中移动时，感应极化将跟随载流子。 载流子与感应极化一起被视为一个实体，称为极化子。

虽然极化子理论最初是为电子作为晶体场中的修饰电荷而发展起来的，但没有根本理由反对任何其他可能与声子相互作用的带电粒子。 因此，其他带电粒子，如（电子）空穴和离子，通常也应遵循极化子理论。 例如，质子极化子在 2017 年通过实验确定，并在假设其存在后在陶瓷电解质上确定。

通常，在共价半导体中，电子与晶格变形的耦合很弱，不会形成极化子。 在极性半导体中，如果极化子的浓度不大且屏蔽效率不高，则与感应极化的静电相互作用很强，极化子在低温下形成。 观察到极化子的另一类材料是分子晶体，其中与分子振动的相互作用可能很强。 在极性半导体的情况下，与极性声子的相互作用由 Fröhlich Hamiltonian 描述。 另一方面，电子与分子声子的相互作用由 Holstein Hamiltonian 描述。 通常描述极化子的模型可以分为两类。 xxx类代表忽略晶格离散性的连续介质模型。 在那种情况下，极化子是弱耦合还是强耦合取决于极化子结合能与声子频率相比是小还是大。 通常考虑的第二类系统是极化子的晶格模型。 在这种情况下，可能存在小或大的极化子，这取决于极化子半径和晶格常数 a 的关系。

离子晶体或极性半导体中的传导电子是极化子的原型。