¿Puede un electrón tener un giro opuesto al del agujero?
Considere el caso más simple: un sistema con espacios donde el electrón en la banda de valencia se excita con la banda de conducción. En este proceso, ¿se conserva el giro? O para decirlo de otra manera, ¿puede el electrón excitado tener una orientación de giro diferente en comparación con el agujero?
Respuestas
Acoplamiento de espín-órbita Los
sólidos están compuestos de átomos, donde el momento orbital y de espín se acoplan mediante el acoplamiento de espín-órbita. Si bien en algunos casos esta interacción puede descuidarse o considerarse como una corrección de orden superior, estrictamente hablando debe tenerse en cuenta al calcular la estructura de la banda y puede tener un impacto significativo. Por tanto, los electrones en la banda de conducción no están en estados de espín puro.
Aún así, como aproximación, a menudo se usa la estructura de bandas sin interacción espín-órbita, incluida la última a través de términos empíricos, cuyas constantes de acoplamiento se derivan de cálculos de bandas más precisos o se estiman experimentalmente. Estas constantes de acoplamiento generalmente resultan ser mucho más grandes de lo que uno podría esperar simplemente incluyendo el término spin_orbit inspirado por la ecuación de Dirac en la masa efectiva hamiltoniana. Específicamente, se habla a menudo de interacción Elliot-Yafet (acoplamiento SO a granel), interacción Dresselhaus o Dyakonov-Perel (en materiales asimétricos-reticulares) e interacción Rashba (en nanoestructuras semiconductoras no simétricas).
Giro de huecos
Si pensamos en un hueco como una vacante dejada por un electrón, excitado a la banda de conducción, esta descripción tiene que compensar tanto el giro del electrón como el momento orbital que el electrón tiene antes de ser excitado. El momento orbital se remonta a los orbitales atómicos que forman la banda de valencia correspondiente. En los semiconductores típicos uno tiene tres bandas de valencia, y a los huecos correspondientes se les asigna diferente espín total y su proyección en el eje de cuantificación;$(1/2, \pm 1/2)$, $(3/2, \pm 1/2)$, $(3/2,\pm 3/2)$(vea el libro de Kittel, pero también los comentarios a esta respuesta ). Esta nomenclatura es extremadamente importante cuando se discuten las reglas de selección para la absorción óptica.
Efectos de muchas partículas
También debe tenerse en cuenta que ni los electrones en la banda de conducción ni los huecos en la banda de valencia son excitaciones de una sola partícula, sino excitaciones de un sistema de muchos cuerpos con un fuerte acoplamiento de Coulomb. Mientras que el acoplamiento de Coulomb conmuta con el operador de espín y conserva el espín oevrall, hay que agregar la interacción espín-espín, particularmente entre electrones y huecos (la inclusión más simple se realiza a través de Bir-Aronov-Pikus Hamiltonian). La situación se vuelve aún más complicada cuando se consideran partículas compuestas, como los excitones, cuyo espín está mal definido (aunque este hecho a menudo se pasa por alto cuando se adopta una descripción aproximada similar al hidrógeno, ver Teoría de los excitones de Knox para una discusión profunda).
Sí, el Spin del electrón será el mismo (ya que es esencialmente el mismo electrón de la misma capa).
[ Además, el giro del electrón no importará en absoluto, ya que el otro electrón de un átomo diferente "vive" en una subcapa dividida (diferente). Entonces, el principio de Auf Bau no será violado
]