带电粒子与超晶格相互作用研究

1 引言
随着加速器技术的发展，人们对带电粒子与物质相互作用进行了广泛而深入的研究。带电粒子的沟道效应和沟道辐射便是人们发现的重要现象之一。由此发展起来的沟道技术在固体物理和原子核物理中得到了广泛应用，而且成功地将这一技术用来研究超晶格。 1970 年， Esaki 和 Tsu 首次提出了超晶格概念。最初的超晶格是用两种晶格常数相同的材料交替生长，形成一种多层薄膜结构。

带电粒子在电场的作用下定向运动，从而形成电流。在多体带电体系中，由于库仑作用，带电粒子处于两种电场中：一是形成定向运动的外电场，二是粒子之间的库仑相互作用。考虑分立的多体带电系统，这时形成电流是由于带电粒子的隧道效应，从分立的一部分到达分立的另一部分。理论预言，电流一定条件下会中断。这就是所谓的库仑阻塞。这是一种带电粒子的关联现象。带电粒子如电子、离子等以及某些极性分子的运动在磁场特别是在强磁场中会产生根本性变化。

超晶格中电子态研究的一个基本环节就是隧穿现象，它是一种垂直于因品格异质结界面的电子输运过程。在隧穿问题的研究中，人们最感兴趣的是双势垒谐振隧穿效应。所谓谐振隧穿是指当电子接连隧穿过两个靠得很近的势垒时，隧穿几率随入射电子能量的变化会出现致个极大值。对于具有对称双势垒结构，发生谐振时的电子最大隧穿几宰等于 1 ，即对称双势垒对某些能量的入射电于是完全透明的、发生谐振隧穿的物理机制来自于两个势垒之间的势阱内电子能量的量子化。当入射电子能量等于势阱中电子的量子化能级时，谐振现象发生。

带电粒子的沟道效应和沟道辐射便是人们发现的重要现象之一。由此发展起来的沟道技术在固体物理和原子核物理中得到了广泛应用，而且还成功地用它来研究了形 ( 应 ) 变超晶格。

2 超晶格的粒子输运
到目前为止，我们并没有很严格地区分量子阱和超晶格这两个概念。严格说超晶格材料是：量子阱之间的势垒较薄，各量子阱的束缚能级相互祸合，形成微带。这种微带类似于固体中的能带，但又有很大的区别，因为微带是一维的，其布里渊区很小，且能带宽度很小。这种特性决定了某些物理现象 ( 如布洛赫振荡 ) 在一般固体中观察不到，而在超晶格中应观察到。 Chometre 等人用光学方法研究微带输运，证明了在超晶格中存在电子、空穴通过微带的垂直输运。

超晶格器件中的电子输运：超晶格器件在结构上的最主要待征则是，在电流传播方向上具有由多个量子阱层和势垒层构成的周期性结构，隔开各阱层的势垒层很薄，具有较大的电子隧穿几率，电子在沿垂直超晶格平面的方向连续穿过多个周期势垒运动。

在超晶格中，带电的电子在单个量子阱中形成一定的量子能级。超晶格内相邻量子阱中的量于能级通过它们之间的薄势垒层有一较弱的耦合，因而每一量子能级扩展成一个能带。由于耦合很弱，形成的能带较窄，称作于能带。设电子的能量为 Eb 。超晶格周期为 d ，于能带宽度为 D ，电场强度为 E ，

当电场 时．平均漂移速度有极大值 。当 E 进一步增大时，速度反而减小，阈值电场 。即使有散射存在，在超晶格的 J — v 曲线中，最初电流随电压的增加而增大，当电压使得电场达到阈值时，电压的进一步增加反而使电流减小，出现负的动态电阻。随着电压不断增大，还可能出现多个电流峰值和多个负阻区间。从理论上讲，如果完全不存在散射，电子的运动无沦在速度空间或动量空间都可能表现出振荡行为。这一现象称为布洛赫振荡，对应于布洛赫振荡的电子输运过程也是一种负微分电导现象。

在超晶格器件中的负微分电导机制，即扩展态 —— 局域态转变。它所描述的物理意义是，在沿着其周期方向足够强的外电场中，超晶格在一个周期上的电位差将大于于能带宽度，此时相邻量子阱中的量子能级彼此错开，一个量子阱中量子能级的能量处于相邻量子阱的能隙中，电子在各量子阱中的量子能级变成高度为 Eed 的 wannier—Stark 阶梯。在这种情况下，相邻量子阱的量子能级状态之间的耦合很弱，电子波函数变得定域化了，电子隧穿过势垒的几率很小，因而超晶格的电导变得很小；当沿着超晶格方向所加的电场由小变大时，由于电子的状态由扩展态转变成定域态，使电导由大变小，即出现负的微分电导。

3 带电粒子与超晶格相互作用识别超高能粒子
带电粒子的沟道效应和沟道辐射广泛被人们关注，而超晶格的沟道效应和沟道辐射也正在被人们深入研究。经典物理学证明，在电磁场中作加速运动的带电粒子要辐射电磁波。 1946 年，苏联物理学家金斯堡和弗兰克进一步指出，当带电粒子穿过电磁性质不同的两种介质界面时，即使加速度为零也要向外辐射能量，这种辐射称为渡越辐射。事实上，在第一介质中远离边界的地方，粒子具有一定的场，而这个场就携带了粒子和第一介质相互作用的信息；当粒子进入第二种介质时，远离边界的场也携带了粒子和第二种介质相互作用的信息。值得注意的是，即使在整个过程中粒子的加速度为零，只要两种介质的电磁性质不同，初场和终场就一定不同。因此，当带电粒子趋近并穿过界面时，场必然会自动调整。正是在这种调整过程中带电粒子将向外辐射能量。

非沟道粒子与物质 ( 晶体 ) 的相互作用的最大特点是粒子将穿过两种不同介质 ( 真空和晶体 ) 的界面。非沟道粒子一旦穿越这样的界面就要产生渡越辐射，而这种辐射可能对沟道辐射产生一定影响。注意到超晶格是由两种不同介电常数的材料交替生长而成的多层薄膜结构，因此，带电粒子同超晶格相互作用就是带电粒子同多层薄膜相互作用。粒子每穿越一层薄膜就要穿越一次界面，每穿越一次界面就要产生一次渡越辐射，这种辐射就有较大的应用前景。