Феномен аннигиляции частиц и античастиц в графене

Ученые из Московского физико-технического института и Университета Тохоку, Япония, интерпретировали неявное явление аннигиляции частиц и античастиц в графене, которые эксперты рассматривают как оже-рекомбинацию. Несмотря на постоянное наблюдение в экспериментах, в течение длительного времени он считался ограниченным основными физическими законами сохранения энергии и импульса. До недавнего времени теоретическая интерпретация этого явления была одной из величайших загадок физики твердого тела. Теория, выясняющая этот процесс, была опубликована в журнале Physical Review B .

Два сценария электронно-дырочной рекомбинации в графене. В радиационной рекомбинации (слева) взаимная аннигиляция электрона и дырки, показанная как синяя и красная сферы соответственно, высвобождает энергию в виде фотона, часть света. В оже-рекомбинации (справа) эта энергия поглощается проходящим мимо электроном. Оже-процесс вреден для полупроводниковых лазеров, поскольку он потребляет энергию, которая может быть использована для создания лазерного излучения. Долгое время оже-процесс считался невозможным в графене из-за законов сохранения энергии и импульса. (Image credit: Елена Хавина / Пресс-служба МФТИ)

В 1928 году Пол Дирак предположил, что электрон имеет двойную частицу, которая идентична во всех аспектах, отличных от ее противоположного электрического заряда. Эта частица, известная как позитрон, была позже обнаружена в экспериментах. Много десятилетий спустя исследователи обнаружили, что носители заряда в полупроводниках, таких как германий, кремний, арсенид галлия и т. Д., Действуют как электроны и позитроны

Два типа носителей заряда в полупроводниках назывались электронами и дырками с их соответствующими отрицательными и положительными зарядами. Они обладают способностью рекомбинировать или уничтожать друг друга, тем самым освобождая энергию. Принцип работы полупроводниковых лазеров, которые очень важны для оптоэлектроники, – это электронно-дырочная рекомбинация с последующим испусканием света.

Светоизлучение не является единственным вероятным следствием взаимодействия электрона с дырой в полупроводнике. Обычно излучаемая энергия теряется до тепловых колебаний соседних атомов или поглощается другими электронами. Последний процесс известен как оже-рекомбинация и является главным «убийцей» активных электронно-дырочных пар в лазерах. Он был назван в честь Пьера Оже, французского физика, изучавшего эти процессы. Лазерные инженеры прилагают усилия для увеличения вероятности излучения света при электронно-дырочной рекомбинации и для подавления всех других процессов.

Именно поэтому сообщество оптоэлектроники с радостью приветствовало предложение о полупроводниковых лазерах на основе графена, разработанных выпускником МФТИ Виктором Рыжием. Согласно основной теоретической концепции, оже-рекомбинация в графене должна быть подавлена ​​законами сохранения энергии и импульса. Закономерности математически идентичны для электронно-дырочных пар в графене, а также для электрон-позитронных пар в исходной теории Дирака. Более того, давно известно, что электрон-позитронная рекомбинация через перенос энергии на третью частицу неосуществима.

. Однако эксперименты, проведенные с использованием носителей горячего заряда в графене, настойчиво обеспечивали неблагоприятный исход: несомненно, что электроны и дырки в графене рекомбинируют с относительно высокой скоростью, и это явление, по-видимому, связано с эффектом Оже. Более того, для электронно-дырочной пары потребовалось меньше, чем пикосекунда (или одна триллионная 1 сек.), Что в сотни раз быстрее по сравнению с современными оптоэлектронными материалами. Эксперименты показали, что трудно реализовать лазер на основе графена.

Ученые из МФТИ и Университета Тохоку обнаружили, что рекомбинация электронно-дырочных пар в графене, подавленная классическими законами сохранения, оказывается возможной в квантовом мире по принципу неопределенности энергии-времени. Он выдвигает гипотезу о том, что законы сохранения могут быть нарушены до степени, обратно пропорциональной среднему свободному времени частицы.

Из-за образования сильно взаимодействующего «затора» плотными носителями среднее свободное время электрона в графене чрезвычайно короткое. В современной квантовой механике был разработан так называемый неравновесный метод функций Грина для систематического объяснения неопределенности энергии частиц. Эта стратегия была принята авторами статьи для вычисления вероятности оже-рекомбинации в графене. Полученные предсказания находятся в хорошем соответствии с экспериментальными данными

Исследование не только дает объяснение возможности «запрещенного» оже-процесса. Наиболее важно, что он определяет условия, при которых эта вероятность достаточно мала, чтобы обеспечить жизнеспособность лазеров на основе графена. Поскольку частицы и античастицы быстро исчезают в экспериментах с горячими носителями в графене, лазеры могут использовать низкоэнергетические носители, которые, как предполагается, имеют более длительный срок службы, основываясь на расчетах. В то же время первое экспериментальное доказательство для генерации лазерных импульсов в графене было получено в Университете Тохоку в Японии.

В частности, метод вычисления времени жизни электрон-дырок, разработанный в статье, не ограничивается графеном. Он может быть применен к более широкой категории так называемых дираковских материалов, в которых поведение носителей заряда аналогично поведению электронов и позитронов в оригинальной теории Дирака. Первоначальные расчеты показывают, что квантовые ямы теллурида ртутного кадмия могут позволить значительно продлить время жизни носителей и, следовательно, более эффективную генерацию лазера, поскольку законы сохранения для оже-рекомбинаций в этом случае являются более ограничительными.

Исследование было поддержано Российским научным фондом

Source link