brecha energética

En física del estado sólido , una brecha de energía o banda prohibida es un rango de energía en un sólido donde no existen estados electrónicos , es decir, un rango de energía donde la densidad de estados se anula.

Especialmente en la física de la materia condensada , una brecha de energía se conoce a menudo de forma más abstracta como brecha espectral , un término que no tiene por qué ser específico de los electrones o los sólidos.

Si existe una brecha de energía en la estructura de bandas de un material, se denomina brecha de banda . Las propiedades físicas de los semiconductores están determinadas en gran medida por sus brechas de banda, pero también para los aislantes y metales la estructura de bandas —y, por lo tanto, cualquier posible brecha de banda— rige sus propiedades electrónicas. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

Para los superconductores, la brecha de energía es una región de densidad de estados suprimida alrededor de la energía de Fermi , con un tamaño mucho menor que la escala de energía de la estructura de bandas. La brecha de energía superconductora es un aspecto clave en la descripción teórica de la superconductividad y, por lo tanto, ocupa un lugar destacado en la teoría BCS . Aquí, el tamaño de la brecha de energía indica la ganancia de energía para dos electrones al formarse un par de Cooper . ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} Si un material superconductor convencional se enfría desde su estado metálico (a temperaturas más altas) hasta el estado superconductor, entonces la brecha de energía superconductora está ausente por encima de la temperatura crítica.${\displaystyle T_{\rm {c}}}$, comienza a abrirse al entrar en el estado superconductor en${\displaystyle T_{\rm {c}}}$y crece al enfriarse aún más. La teoría BCS predice que el tamaño${\displaystyle \Delta }$de la brecha de energía superconductora para superconductores convencionales a temperatura cero escala con su temperatura crítica${\displaystyle T_{\rm {c}}}$: ^{[ 3 ]}${\displaystyle \Delta (T=0)=1.764\,k_{\rm {B}}T_{\rm {c}}}$(con constante de Boltzmann)${\displaystyle k_{\rm {B}}}$).

Si la densidad de estados se suprime cerca de la energía de Fermi pero no desaparece por completo, entonces esta supresión se denomina pseudobrecha . Las pseudobrechas se observan experimentalmente en diversas clases de materiales; un ejemplo destacado son los superconductores de alta temperatura de cuprato . ^{[ 4 ]}

Si la densidad de estados se anula en un rango de energía extenso, se denomina brecha dura. Si, en cambio, la densidad de estados se anula exactamente solo para un único valor de energía (mientras se suprime, pero no se anula por completo para valores de energía cercanos), se denomina brecha blanda. Un ejemplo prototípico de brecha blanda es la brecha de Coulomb que existe en estados electrónicos localizados con interacción de Coulomb. ^{[ 5 ]}