固体物理学において、エネルギーギャップまたはバンドギャップとは、固体中の電子状態が存在しないエネルギー範囲、すなわち状態密度がゼロになるエネルギー範囲のことです。

特に凝縮系物理学では、エネルギーギャップはより抽象的にスペクトルギャップと呼ばれることが多く、この用語は電子や固体に特有のものではありません。

バンドギャップ

物質のバンド構造にエネルギーギャップが存在する場合、それはバンドギャップと呼ばれます。半導体の物理的特性は、主にバンドギャップによって決まりますが、絶縁体や金属についても、バンド構造、つまりバンドギャップが電子特性を支配します。[1] [2]

超伝導体

超伝導体の場合、エネルギーギャップはフェルミエネルギー付近の状態密度が抑制された領域であり、そのサイズはバンド構造のエネルギースケールよりもはるかに小さい。超伝導エネルギーギャップは超伝導の理論的記述における重要な側面であり、BCS理論において重要な位置を占めている。ここで、エネルギーギャップのサイズは、クーパー対の形成時に2つの電子が得るエネルギー利得を示す。[1] [2] [3]従来の超伝導材料を金属状態（高温）から超伝導状態に冷却すると、臨界温度以上では超伝導エネルギーギャップは存在せず、で超伝導状態に入ると開き始め、さらに冷却すると大きくなる。BCS理論は、従来の超伝導体の零温度における超伝導エネルギーギャップのサイズは、臨界温度に比例すると予測している：[3]（ボルツマン定数）。

擬ギャップ

フェルミエネルギー付近で状態密度が抑制されるものの、完全には消失しない場合、この抑制は擬ギャップと呼ばれます。擬ギャップは様々な物質種で実験的に観測されており、その顕著な例としては銅酸化物高温超伝導体があります。[4]

ハードギャップ vs. ソフトギャップ

状態密度が広いエネルギー範囲にわたって消失する場合、これはハードギャップと呼ばれます。一方、状態密度が単一のエネルギー値に対してのみ完全に消失する場合（抑制されるものの、近傍のエネルギー値では消失しない場合）、これはソフトギャップと呼ばれます。ソフトギャップの典型的な例は、クーロン相互作用を持つ局在電子状態に存在するクーロンギャップです。 [5]

参考文献

  1. ^ ab Neil N. Ashcroft ; N. David Mermin (1976). Solid State Physics . Saunders College. ISBN 0-03-083993-9。
  2. ^ チャールズ・キッテル著(1996).固体物理学入門（第7版）. ジョン・ワイリー・アンド・サンズ. ISBN 0-471-11181-3.
  3. ^ マイケル・ティンカム著(1996).超伝導入門（第2版）. マグロウヒル. ISBN 0-07-064878-6.
  4. ^ Timusk, Tom; Statt, Bryan (1999). 「高温超伝導体における擬ギャップ：実験的概観」Rep. Prog. Phys . 62 (1): 61– 122. arXiv : cond-mat/9905219 . Bibcode :1999RPPh...62...61T. doi :10.1088/0034-4885/62/1/002. S2CID  17302108.
  5. ^ Efros, AL ; Shklovskii, BI (1975). "Coulomb gap and low temperature conductions of disordered systems". J. Phys. C: Solid State Phys . 8 (4): L49 – L51 . Bibcode :1975JPhC....8L..49E. doi :10.1088/0022-3719/8/4/003.