Dispersión Dispersión Raman en Sólidos en Sólidos

Dispersión Raman en Sólidos
C. Trallero-Giner
CINVESTAV-DF (2010)
I
I.
I t d ió
Introdución
• Notas históricas
• Detalles experimentales
II. Dispersión de la luz
• Leyes de conservación
• Excitaciones elementales
II
II.
Dispersión de la luz
Fig. 2 Proceso de dispersión de la luz por un medio
Radiación incidente:
-frecuencia ωl y vector de onda kl
-interactúa
interactúa con un cierto medio
Radiación secundaria:
-frecuencia ωs y vector de onda ks
Este proceso puede ser caracterizado
por dos formas:
a) Dispersión elástica, es decir la energía dispersada es igual a la incidente
- el momento dispersado es diferente al inicial
Este tipo de dispersión se denomina de Rayleigh.
b) Inelásticamente, cuando se ha realizado un intercambio de energía y momento con
el medio
Este proceso se denomina dispersión Raman de la luz.
Aquí el fotón puede entregar energía al medio, dispersión Stokes, o puede absorber
energía del mismo
mismo, dispersión anti-Stokes
anti-Stokes.
Si la cantidad intercambiada tiene un valor de frecuencia ω0, entonces las ecuaciones
ley de conservación de la energía se puedes expresar en cada caso como
Fig. 3 Proceso de dispersión Stokes y anti-Stokes
Nos ocuparemos en este curso de las características principales de la dispersión
Raman es decir de la dispersión inelástica de la luz.
Fig.
g 3 Diagrama
g
del efecto Raman
U espectro
Un
t típico
tí i es ell que se muestra
t en la
l figura
fi
4.
4
Para una energía fija del laser ωl que
incide sobre una muestra, se mide el
número de fotones dispersado por unidad
de tiempo en cierto ángulo sólido Ω₀ como
función de la energía de la radiación
secundaria ωs un espectro en frecuencias
similar al de laFig.4.
Fig. 4 Espectro característico de la dispersión Raman
producto de una excitación elemental ω0
La variación de energía Δω = ωl− ωs Æ existencia de una excitación elemental
Esta excitación, con energía ωo, está ligada con la creación de cuasi partículas.
pueden ser fonones,, plasmones,
p
, polarones,
p
,p
polaritones,, excitones,, ondas de
Estas p
spin, etc.
Fonón: Es el cuanto de energía de las vibraciones de los átomos en un medio.
pueden ser acústicos u ópticos.
p
Es una cuasi p
partícula del material
Estos p
y vienen descrito por una frecuencia ω0, un momento k y una polarización e.
Plasmón: Es el cuanto de energía que describe las oscilaciones colectivas
de un gas de electrones de conducción (plasma). Estas oscilaciones
colectivas
son longitudinales y se producen por el acople de la carga del electrón con
las
fl t
fluctuaciones
i
d
dell campo electrostático
l t táti d
de llas oscilaciones
il i
d
dell plasma.
l
Plasmón= cuanto de energía de las excitaciones elementales que
describen
las oscilaciones longitudinales del plasma.electrónico en un material.
Phys. Rev. B 29, 3737 (1984)
Light scattering by plasmons in germanium
Measurement by the laser frequency near
the E1 g
gap of Ge ( 2.22 eV).
)
Polaritón: En la interacción resonante entre un fotón, que es una onda
electromagnética transversal, y un fonón óptico transversal de igual frecuencia
se genera un campo de ondas transversales acopladas de las cuales el polaritón
es el cuanto de energía.
Phonon-polariton damping
by low-frequency excitations
in lithium tantalate
investigated by
Raman scattering
B Bittner et al 2002
J. Phys.: Condens. Matter
14. 9013
Polarón: Un electrón en un cristal interactúa con los iones o átomos de
la red cristalina se produce una deformación local de la red (fonones) . La
deformación sigue el movimiento del electrón que se mueve a través de la red. La
combinación del electrón con el campo de deformación se denomina polarón.
En la interacción electrón-fonón ocurre un aumento aparente de la masa del
electrón debido a su interacción con los fonones de la red
Excitón: Si sobre un material semiconductor incide una radiación electromagnética
con energía mayor a la del gap se produce un par electrón-hueco.
Un electrón y un hueco pueden estar ligados producto de su interacción coulombiana
atractiva. A este par ligado se denomina excitón. El mismo puede viajar
por el material transportando energía más no transporta carga por ser neutro.
C. Trallero et al
Phys. Rev. B 40, 4030 (1989)
One-phonon
One
phonon resonant Raman
scattering:
Fröhlich exciton-phonon
interaction
Excitón-polaritón:
Interaccion exciton-foton:
exciton-polaritons
Phys. Rev. Lett. 41, 49–52 (1978)
Determination of the Excitonic Polariton Dispersion in CuCl by
Resonant Two-Photon Raman Scattering