論文の概要: Variational and field-theoretical approach to exciton-exciton interactions and biexcitons in semiconductors
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2510.05242v1
- Date: Mon, 06 Oct 2025 18:07:48 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-10-08 17:57:07.933491
- Title: Variational and field-theoretical approach to exciton-exciton interactions and biexcitons in semiconductors
- Title（参考訳）: 半導体における励起子-励起子相互作用とビエキシトンに対する変分的および場-理論的アプローチ
- Authors: Peter A. Noordman, Lucas Maisel Licerán, Henk T. C. Stoof,
- Abstract要約: 我々は、スピン退化電子とホールの系におけるワニエ励起子間の相互作用を研究する。
この結果は、任意の質量へのハイトラー・ロンドンポテンシャルの一般化と解釈できる。
我々は経路積分形式を用いて励起子の気体に対する多体理論を開発し、励起作用をもたらす。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Bound electron-hole pairs in semiconductors known as excitons are the subject of intense research due to their potential for optoelectronic devices and applications, especially in the realm of two-dimensional materials. While the properties of free excitons in these systems are well understood, a general description of their interactions is complicated due to their composite nature, which leads to exchange between the identical fermions of different excitons. In this work we employ a variational approach to study interactions between Wannier excitons and obtain an effective interaction potential between two ground-state excitons in a system of spin-degenerate electrons and holes. This potential is in general nonlocal and depends on the coupled spins of the particles. When particularized to hydrogen-like excitons with a heavy hole, it becomes local and exactly reproduces the Heitler-London result for two interacting hydrogen atoms. Thus, our result can be interpreted as a generalization of the Heitler-London potential to arbitrary masses. Including corrections due to excited states results in a van der Waals potential at large distances, which is expected due to the induced dipole-dipole nature of the interactions. Additionally, we use a path-integral formalism to develop a many-body theory for a gas of excitons, resulting in an excitonic action that formally includes many-body interactions between excitons. While in the field representing the excitons is exactly bosonic, we clarify how the internal exchange processes arise in the field-theoretical treatment, and show that the diagrams corresponding to the interactions between excitons align with our variational calculation when evaluated on shell. Our methods and results lay the groundwork for a generalized theory of exciton-exciton interactions and their application to the study of biexciton spectra and correlated excitonic matter.
- Abstract（参考訳）: 励起子として知られる半導体の電子-ホール対は、特に2次元材料の領域における光電子デバイスや応用の可能性から、強い研究の対象となっている。
これらの系における自由励起子の性質はよく理解されているが、それらの相互作用の一般的な説明は、それらの合成的性質のために複雑であり、異なる励起子の同一フェルミオン間の交換につながる。
本研究では、ワニエ励起子間の相互作用を研究し、スピン退化電子とホールの系における2つの基底状態励起子間の効果的な相互作用ポテンシャルを得るための変分的アプローチを用いる。
このポテンシャルは一般に非局所的であり、粒子の結合スピンに依存する。
重い穴を持つ水素様励起子に比例すると、局所的になり、2つの相互作用する水素原子に対してハイトラー・ロンドンの結果を正確に再現する。
したがって、この結果は任意の質量へのハイトラー・ロンドンポテンシャルの一般化と解釈できる。
励起状態による補正を含むと、相互作用の双極子-双極子の性質によって期待されるファンデルワールスポテンシャルが遠方で生じる。
さらに、経路積分形式法を用いて励起子の気体に対する多体理論を発展させ、結果として励起子間の多体相互作用を正式に含む励起子作用をもたらす。
エクシトンを表わす場はまさにボソニックであるが, 内部交換過程が場理論的処理でどのように生じるかを明らかにするとともに, エクシトン間の相互作用に対応するダイアグラムが殻上で評価した場合の変動計算と一致することを示す。
本研究では, 励起子-励起子相互作用の一般化理論の基礎と, 双励起子スペクトルおよび相関励起子物質の研究への応用について述べる。
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