Физики решают тайну исчезновения частиц в графене

Исследователи из Московского физико-технического института и Университета Тохоку (Япония) объяснили загадочное явление аннигиляции частиц-античастиц в графене, признанное специалистами как оже-рекомбинация. Хотя настойчиво наблюдался в экспериментах, он долгое время считался запрещенным фундаментальными физическими законами сохранения энергии и импульса. Теоретическое объяснение этого процесса до недавнего времени оставалось одной из величайших загадок физики твердого тела. Теория, объясняющая явление, была опубликована в Physical Review B.

В 1928 году Пол Дирак предсказал, что электрон имеет двойную частицу, которая во всех отношениях идентична, но имеет противоположный электрический заряд. Эта частица, называемая позитроном, вскоре была обнаружена экспериментально. Несколько лет спустя ученые поняли, что носители заряда в полупроводниках – кремнии, германии, арсениде галлия и т. Д. – ведут себя как электроны и позитроны. Эти два вида носителей заряда в полупроводниках назывались электронами и дырками. Их соответствующие заряды отрицательные и положительные, и они могут рекомбинировать или аннигилировать друг друга, высвобождая энергию. Электронно-дырочная рекомбинация, сопровождающаяся испусканием света, обеспечивает принцип работы полупроводниковых лазеров, которые являются устройствами, решающими для оптоэлектроники.

Излучение света не является единственным возможным исходом электрона, соприкасающегося с дырой в полупроводнике. Освобожденная энергия часто теряется для тепловых колебаний соседних атомов или подбирается другими электронами (рис. 1). Последний процесс называется оже-рекомбинацией и является основным «убийцей» активных электронно-дырочных пар в лазерах. Он носит имя французского физика Пьера Ожера, который изучал эти процессы. Лазерные инженеры стремятся максимизировать вероятность излучения света при электронно-дырочной рекомбинации и подавлять все другие процессы.

Именно поэтому сообщество оптоэлектроники с энтузиазмом приветствовало предложение о полупроводниковых лазерах на основе графена, сформулированных выпускником МФТИ Виктором Рыжием. Первоначальная теоретическая концепция гласила, что оже-рекомбинация в графене должна быть запрещена законами сохранения энергии и импульса. Эти законы математически аналогичны для электронно-дырочных пар в графене и для электронно-позитронных пар в исходной теории Дирака, а невозможность электрон-позитронной рекомбинации с переносом энергии на третью частицу известна давно.

Рисунок 1. 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. Кредит: Елена Хавина / Пресс-служба МФТИ

Однако эксперименты с носителями горячего заряда в графене последовательно возвращали неблагоприятный результат: электроны и дырки в графене рекомбинируют с относительно высокой скоростью, и это явление проявляется в связи с эффектом Оже. Более того, требуется, чтобы пара электронов с дырой была меньше пикосекундной, или одной триллионной секунды, чтобы исчезнуть, что в сотни раз быстрее, чем в современных оптоэлектронных материалах. Эксперименты предполагали жесткое препятствие для внедрения графенового лазера.

Исследователи из МФТИ и Университета Тохоку обнаружили, что рекомбинация электронов и дырок в графене, запрещенная классическими законами сохранения, стала возможной в квантовом мире по принципу неопределенности энергии-времени. Он утверждает, что законы сохранения могут быть нарушены в той степени, которая обратно пропорциональна среднему свободному времени частицы. Среднее свободное время электрона в графене довольно короткое, так как плотные носители образуют сильно взаимодействующий «пюре». Для систематического учета неопределенности энергии частиц в современной квантовой механике был разработан так называемый неравновесный метод функций Грина , Этот подход был использован авторами статьи для расчета вероятности оже-рекомбинации в графене. Полученные предсказания хорошо согласуются с экспериментальными данными

«Сначала это выглядело как математический мозговой тизер, а не обычная физическая проблема», – говорит Дмитрий Свинцов, руководитель лаборатории 2D-материалов для оптоэлектроники МФТИ. «Общепринятые законы сохранения допускают рекомбинацию только в том случае, если все три частицы движутся точно в одном направлении. Вероятность этого события подобна соотношению между объемом точки и объемом куба – она ​​приближается к нулю. К счастью, вскоре мы решили отказаться от абстрактной математики в пользу квантовой физики, в которой говорится, что частица не может иметь четко определенной энергии. Это означает, что рассматриваемая вероятность конечна и даже достаточно высока для экспериментального наблюдения ».

Исследование не просто объясняет, почему «запрещенный» оже-процесс действительно возможен. Важно отметить, что он определяет условия, когда эта вероятность достаточно мала, чтобы сделать на основе графена лазеры жизнеспособными. Поскольку частицы и античастицы быстро исчезают в экспериментах с горячими носителями в графене, лазеры могут использовать низкоэнергетические носители, которые должны иметь более длительный срок службы, согласно расчетам. Между тем, первые экспериментальные данные о генерации лазера в графене были получены в Университете Тохоку в Японии.

Примечательно, что метод расчета времени жизни электрон-дырок, разработанный в работе, не ограничивается графеном. Он применим к большому классу так называемых материалов Дирака, в которых носители заряда ведут себя аналогично электронам и позитронам в оригинальной теории Дирака. Согласно предварительным расчетам, квантовые ямы теллурида ртутного кадмия могут позволить значительно продлить время жизни носителей и, следовательно, более эффективную лазерную генерацию, поскольку законы сохранения для оже-рекомбинаций в этом случае более строгие.

Исследование было поддержано Российским научным фондом

Source link