Onderzoekers van het Moscow Institute of Physics and Technology en de Tohoku University (Japan) hebben het raadselachtige fenomeen van deeltje-antideeltje-annihilatie in grafeen verklaard, door specialisten erkend als Auger-recombinatie. Hoewel aanhoudend waargenomen in experimenten, Lange tijd werd gedacht dat het verboden was door de fundamentele natuurkundige wetten van energie en momentumbehoud. De theoretische verklaring van dit proces is tot voor kort een van de grootste puzzels van de vastestoffysica gebleven. De theorie die het fenomeen verklaart, is gepubliceerd in Fysieke beoordeling B .

1928, Paul Dirac voorspelde dat een elektron een tweelingdeeltje heeft, die in alle opzichten identiek is, behalve voor zijn tegengestelde elektrische lading. Dit deeltje, het positron genoemd, werd al snel experimenteel ontdekt. Enkele jaren later, wetenschappers realiseerden zich dat de ladingsdragers in halfgeleiders - silicium, germanium, galliumarsenide, enz. - gedragen zich als elektronen en positronen. Deze twee soorten ladingsdragers in halfgeleiders werden elektronen en gaten genoemd. Hun respectieve ladingen zijn negatief en positief, en ze kunnen recombineren, of elkaar vernietigen, energie vrijmaken. Elektron-gat-recombinatie vergezeld van de emissie van licht biedt het werkingsprincipe van halfgeleiderlasers, die apparaten zijn die cruciaal zijn voor opto-elektronica.

De emissie van licht is niet de enige mogelijke uitkomst van een elektron dat in contact komt met een gat in een halfgeleider. De vrijgekomen energie gaat vaak verloren aan thermische trillingen van de naburige atomen of wordt opgepikt door andere elektronen (figuur 1). Dit laatste proces wordt Auger-recombinatie genoemd en is de belangrijkste "killer" van actieve elektron-gatparen in lasers. Het draagt ​​de naam van de Franse natuurkundige Pierre Auger, die deze processen bestudeerden. Laseringenieurs streven ernaar de kans op lichtemissie bij elektron-gat-recombinatie te maximaliseren en alle andere processen te onderdrukken.

Dus, de opto-elektronicagemeenschap begroette enthousiast het voorstel voor op grafeen gebaseerde halfgeleiderlasers geformuleerd door MIPT-afgestudeerde Victor Ryzhii. Het oorspronkelijke theoretische concept zei dat Auger-recombinatie in grafeen verboden zou moeten worden door de wetten voor behoud van energie en momentum. Deze wetten zijn wiskundig vergelijkbaar voor elektron-gatparen in grafeen en voor elektron-positronparen in de originele theorie van Dirac, en de onmogelijkheid van elektron-positron-recombinatie met energieoverdracht naar een derde deeltje is al lang bekend.

Echter, experimenten met hete ladingsdragers in grafeen leverden consequent het ongunstige resultaat op:elektronen en gaten in grafeen recombineren met een relatief hoge snelheid, en het fenomeen bleek toe te schrijven aan het Auger-effect. Bovendien, het kostte een elektron-gatpaar minder dan een picoseconde, of een biljoenste van een seconde, verdwijnen, wat honderden keren sneller is dan in hedendaagse opto-elektronische materialen. De experimenten suggereerden een moeilijk obstakel voor de implementatie van een op grafeen gebaseerde laser.

De onderzoekers van MIPT en Tohoku University ontdekten dat de recombinatie van elektronen en gaten in grafeen, verboden door de klassieke behoudswetten, wordt in de kwantumwereld mogelijk gemaakt door het energie-tijdonzekerheidsprincipe. Het stelt dat behoudswetten kunnen worden geschonden in een mate die omgekeerd evenredig is met de gemiddelde vrije tijd van het deeltje. De gemiddelde vrije tijd van een elektron in grafeen is vrij kort, omdat de dichte dragers een sterk interactief "beslag" vormen. Om systematisch rekening te houden met de onzekerheid van deeltjesenergie, de zogenaamde niet-evenwichtsfuncties-techniek van Green is ontwikkeld in de moderne kwantummechanica. Deze benadering werd door de auteurs van het artikel gebruikt om de Auger-recombinatiekans in grafeen te berekenen. De verkregen voorspellingen komen goed overeen met de experimentele gegevens.

"Aanvankelijk, het leek op een wiskundige hersenkraker, in plaats van een gewoon lichamelijk probleem, " zegt Dmitry Svintsov, het hoofd van het Laboratorium voor 2-D Materialen voor Opto-elektronica bij MIPT. "De algemeen aanvaarde behoudswetten laten recombinatie alleen toe als alle drie de betrokken deeltjes precies in dezelfde richting bewegen. De waarschijnlijkheid van deze gebeurtenis is als de verhouding tussen het volume van een punt en het volume van een kubus - het benadert nul. Gelukkig, we besloten al snel om abstracte wiskunde te verwerpen ten gunste van kwantumfysica, die zegt dat een deeltje geen goed gedefinieerde energie kan hebben. Dit betekent dat de betreffende kans eindig is, en zelfs voldoende hoog om experimenteel te worden waargenomen"

De studie biedt niet alleen een verklaring waarom het "verboden" Auger-proces eigenlijk mogelijk is. belangrijk, het specificeert de omstandigheden wanneer deze kans laag genoeg is om op grafeen gebaseerde lasers levensvatbaar te maken. Omdat deeltjes en antideeltjes snel verdwijnen in experimenten met hete dragers in grafeen, de lasers kunnen de lage-energiedragers benutten, die een langere levensduur zouden moeten hebben, volgens de berekeningen. In de tussentijd, het eerste experimentele bewijs van lasergeneratie in grafeen is verkregen aan de Tohoku University in Japan.

Opmerkelijk, de methode voor het berekenen van de levensduur van het elektron-gat die in het papier is ontwikkeld, is niet beperkt tot grafeen. Het is toepasbaar op een grote klasse van zogenaamde Dirac-materialen, waarin ladingsdragers zich op dezelfde manier gedragen als de elektronen en positronen in de oorspronkelijke theorie van Dirac. Volgens voorlopige berekeningen de kwik-cadmiumtelluride-kwantumbronnen kunnen een veel langere levensduur van de drager mogelijk maken, en dus effectievere lasergeneratie, omdat de behoudswetten voor Auger-recombinaties in dit geval strenger zijn.