3.1.2.1. Туннельное поглощение; переход Мотта диэлектрик-металл.

Ионизация квантовой системы может возникать и под действием постоянного внешнего электрического поля. В этом случае ионизация обусловлена возникновением потенциального барьера для электрона, связанного в атоме (рис. .5). При возникновении такого потенциального барьера к переходу связанного электрона в свободное состояние приводят два различных эффекта — надбарьерный распад связанной системы и туннельный эффект.

Рис. 3.5. Схема образования потенцнального барьера в постоянном внешнем поле ; – потенциал квантовой системы в отсутствие внешнего поля.

Если действие внешнего поля приводит к тому, что вершина барьера оказывается ниже энергии связи электрона, то связанная система перестает быть связанной – это процесс надбарьерного распада связанной системы.

Соответствующая напряженность внешнего постоянного поля есть атомная напряженность для состояния с заданной энергией связи. Для основного состояния электрона в атоме водорода атомная напряженность = 5•10⁹ В/см. Реализовать в лабораторных условиях столь сильное постоянное поле невозможно по техническим причинам.

Если энергия связи электрона меньше, чем вершина потенциального барьера (рис. .5), то ионизация может происходить за счет туннельного перехода электрона через барьер из связанного в свободное состояние — это так называемый туннельный эффект. Вероятность туннелирования через барьер определяется прозрачностью барьера и экспоненциально зависит от напряженности постоянного внешнего поля . Вероятность туннелирования из основного состояния атома водорода описывается соотношением ( в ат. ед.)

Вероятность туннелирования велика лишь у вершины барьера.

Таким образом, в долазерную эпоху ионизация в переменном электромагнитном поле заключалась в фотоионизации, а в постоянном электрическом поле – в надбарьерном распаде и туннельном эффекте.

Исходя из рассмотренных выше процессов фотоионизации, туннельной ионизации в постоянном поле и многофотонного возбуждения, можно предсказать качественный характер процесса ионизации в выделенных выше областях изменения частоты внешнего поля. Рассмотрим их последовательно.

При в сильном поле, как и в слабом поле, происходит однофотонная ионизация (фотоионизация) квантовой системы.

При (но не ) в сильном поле, в отличие от слабого поля, существенна вероятность ионизации за счет поглощения электроном нескольких фотонов внешнего поля.

При частота внешнего поля гораздо меньше собственной частоты квантовой системы (частоты перехода в непрерывный спектр в данной задаче). Соответственно процесс ионизации носит адиабатический характер, действие переменного поля качественно аналогично действию постоянного поля. В предельном случае, за время , где — период изменения внешнего поля, процесс ионизации в точности соответствует процессу в постоянном поле, т. е. носит туннельный характер. Полученное таким образом выражение для вероятности туннельной ионизации в переменном поле имеет вид

(3.14)

Подводя итоги сказанному выше о механизмах пробоя в чистых средах, следует отметить, что на возникновение пробоя влияет много параметров, характеризующих среду (ширина запрещенной зоны, фотопроводимость, температура, облучаемый объем) и излучение (частота, пространственное и временное распределение излучения, длительность импульса), поэтому в общем случае пороги пробоя лежат в широком диапазоне изменения интенсивности излучения от 10⁹ до 10¹² Вт/см².

Образование свободных электронов в диэлектрике приводит к его металлизации. Происходит так называемый переход Мота диэлектрик-металл.

Для описания экранирования электрического поля вырожденной системой свободных носителей используют радиус экранирования . При вырожденной статистике он связан с концентрацией электронов

( - боровский радиус).

Предположим, что мы постепенно увеличиваем концентрацию электронов . Пока , экранирование несущественно, вещество является изолятором. Но когда соотношение между и изменится на , состояние изолятора станет неустойчивым. Если электронов уйдут от своих атомов (молекул), то они к ним не смогут вернуться из-за сильного экранирования. Ионизованные атомы (молекулы) создадут положительный фон, компенсирующий отрицательный заряд делокализованных электронов. Поэтому равенство есть условие перехода металл-изолятор, который происходит, когда концентрация достигает критического значения .

Движущей силой перехода Мотта является межэлектронное взаимодействие. Из-за перекрытия волновых функций оба уровня размоются в минизоны с уровнями в каждой ( - объем). Поскольку концентрация электронов тоже равна , то, если минизоны не перекрываются, все уровней в нижней минизоне заполнены, а в верхней пустые, то вещество является изолятором со щелью на фермиуровне (см. рис. .6).

Рис. 3.6. Схема перехода Мота.

Повреждения прозрачных материалов могут быть вызваны, кроме того, образованием фононов (гиперзвуковых колебаний) в процессе вынужденного рассеяния Мандельштама  Бриллюэна (ВРМБ);