Физики раскрыли тайну исчезновения частиц и античастиц в графене — Naked Science
ФизТех

Физики раскрыли тайну исчезновения частиц и античастиц в графене

3.9

Ученые из МФТИ и Японии смогли объяснить парадоксальное явление взаимного уничтожения частиц и античастиц в графене, которое известно специалистам как оже-рекомбинация.

Физики раскрыли тайну исчезновения частиц и античастиц в графене / ©1informer.com

Исследователи из МФТИ и Университета Тохоку (Япония) смогли объяснить парадоксальное явление взаимного уничтожения частиц и античастиц в графене, которое известно специалистам как оже-рекомбинация. Долгое время оно считалось запрещенным фундаментальными физическими законами сохранения импульса и энергии, но упорно наблюдалось в экспериментах. Теоретическое обоснование этого процесса представляло до недавнего времени одну из сложнейших загадок физики твердого тела. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review B.

В 1928 году Поль Дирак теоретически предсказал, что у электрона существует двойник, не отличающийся ничем, кроме знака электрического заряда. Эту частицу, названную позитроном, вскоре открыли экспериментально. Спустя несколько лет ученые осознали, что носители заряда в полупроводниках — кремнии, германии, арсениде галлия и многих других — также ведут себя подобно электронам и позитронам. Так, в полупроводниках есть два типа носителей с противоположным зарядом (их называют электронами и дырками), они могут взаимно уничтожаться (рекомбинировать) с высвобождением избытка энергии. Рекомбинация электрона и дырки с излучением света составляет принцип работы полупроводникового лазера, основного прибора современной оптоэлектроники.

Излучение света является не единственным возможным исходом при столкновении электрона и дырки в полупроводниках. Часто освобождающаяся энергия может быть потеряна на раскачку соседних атомов или подхвачена пролетающим мимо электроном. Последний процесс называется оже-рекомбинацией и является главным «киллером» электрон-дырочных пар в лазерах. Он назван в честь Пьера Оже — французского физика, исследовавшего эти процессы. Разработчики лазеров стремятся усилить вероятность излучения света при столкновении электрона и дырки и ослабить все другие процессы.

Физики раскрыли тайну исчезновения частиц и античастиц в графене
Схематическое изображение двух сценариев исчезновения частицы-электрона (синий) и античастицы-дырки (красная) в графене. В процессе излучательной рекомбинации (слева) энергия, выделяющаяся при взаимном уничтожении, улетает в виде порции света — фотона. При оже-рекомбинации (справа) эту энергию подхватывает пролетающий мимо электрон. Оже-процесс губителен для полупроводниковых лазеров, так как забирает на себя энергию, которую можно было бы высвободить в свет. Долгое время считалось, что оже-процесс в графене запрещен законами сохранения импульса и энергии / Пресс-служба МФТИ

Огромным воодушевлением для оптоэлектроники полупроводников было предложение использовать графен в качестве материала для полупроводниковых лазеров, высказанное выпускником МФТИ Виктором Рыжим. По изначальной теоретической идее, оже-рекомбинация в графене должна быть запрещена законами сохранения импульса и энергии. Математически эти законы сохранения выглядят схожим образом для электрон-дырочных пар в графене и для электрон-позитронных пар — в оригинальной теории Дирака. Запрет же рекомбинации электрона и позитрона с передачей энергии третьей частице был известен очень давно.

Однако в графене эксперименты упорно демонстрировали быстрое взаимное исчезновение частиц и античастиц, электронов и дырок. По всем внешним проявлениям это исчезновение шло по сценарию Оже. Более того, время исчезновения пар в эксперименте составляло менее пикосекунды — и это в сотни раз быстрее, чем в используемых сейчас оптоэлектронных материалах. Эксперимент предрекал огромные трудности в реализации лазера на основе графена.

Исследователи из МФТИ и Тохоку выяснили, что запрещенное классическими законами сохранения исчезновение электронов и дырок в графене разрешается в квантовом мире благодаря соотношению неопределенностей «время — энергия». Согласно ему, закон сохранения можно нарушить на величину, обратно пропорциональную времени свободного пробега частицы. А время свободного пробега электрона в графене является довольно коротким, так как электроны представляют собой плотную «кашу». В современной квантовой физике существует мощный метод неравновесных функций Грина, который позволяет систематически учесть неопределенность энергии частицы. Этот метод и был применен авторами работы для расчетов вероятности оже-процесса в графене. Результаты показали хорошее согласие с экспериментальными данными.

«Эта задача была вначале похожа на математическую головоломку, а не на обычную физическую проблему, — рассказывает Дмитрий Свинцов, руководитель лабораторииоптоэлектроники двумерных материалов МФТИ, — Привычные законы сохранения разрешают рекомбинацию только если все три частицы — участницы процесса движутся строго в одну сторону. Вероятность такого события — как отношение объема точки к объему куба, она стремится к нулю. К счастью, мы вовремя перешли от абстрактной математики к квантовой физике, где частица не имеет строго определенной энергии. И тогда вероятность процесса оказалась конечной и достаточной для экспериментального наблюдения».

Работа не только объясняет возможность запретного процесса оже-рекомбинации, но и указывает условия, при которых он вновь будет слабым. Этот факт делает актуальной идею лазеров на основе графена. При быстром «сгорании» частиц и античастиц в экспериментах с графеном электроны и дырки нагреваются до сверхвысоких температур, а в лазерах можно использовать носители с малой энергией, которые, согласно расчетам, живут дольше. Первые экспериментальные свидетельства лазерной генерации были тем временем получены в университете Тохоку (Япония).

Важно, что метод расчета времени «сгорания» электронов и дырок, развитый в работе, не ограничен графеном. Он применим к целому семейству так называемых «дираковских материалов», в которых поведение носителей заряда подобно электронам и позитронам из ранней теории Дирака. По предварительным расчетам, много большего времени жизни носителей — а значит, и более эффективной лазерной генерации — можно достичь в квантовых ямах из теллурида кадмия-ртути, где законы сохранения для оже-рекомбинации получаются «более строгими».

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Вчера, 14:06
Мария Азарова

Член Северо-Западной организации Федерации космонавтики России Александр Хохлов рассказал о проблемах, сопровождающих модуль «Наука» на пути к МКС, и объяснил, почему на долгожданную стыковку будет всего одна попытка.

Вчера, 15:26
Василий Парфенов

Компания Microsoft несколько лет назад намеревалась не изменять номер своей основной операционной системы для компьютеров — «десятка» должна была остаться с нами надолго. Однако очередное крупное обновление, по мнению маркетологов, очевидно, оказалось достойно новой цифры в названии ОС. Windows 11 принесет пользователям не только новые функции, улучшения безопасности и быстродействия, а также измененный дизайн, но и лишится некоторых привычных элементов. Хотя если кто-то и расстроится из-за этого, то скучать будет лишь по парочке из них.

Позавчера, 09:28
Сергей Васильев

Окаменелости возрастом более 3,4 миллиарда лет могут быть остатками микробов-архей, живших и выделявших метан у гидротермальных источников на дне ископаемого моря.

25 июля
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

25 июля
Мария Азарова

Ученые подтвердили связь между коронавирусной инфекцией и снижением когнитивных способностей на основе анализа данных более чем 81 тысячи человек.

Позавчера, 09:28
Сергей Васильев

Окаменелости возрастом более 3,4 миллиарда лет могут быть остатками микробов-архей, живших и выделявших метан у гидротермальных источников на дне ископаемого моря.

25 июля
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

13 июля
Ольга Иванова

Международная команда ученых идентифицировала ДНК из почвы в грузинской пещере. Благодаря этому исследователям удалось восстановить геном человека возрастом 25 тысяч лет, не имея никаких скелетных останков.

8 июля
Василий Парфенов

Подросток из бельгийского города Остенде стал вторым самым юным обладателем высшего образования в обозримой истории. Он с отличием окончил курс физики в Антверпенском университете и теперь собирается защитить магистерскую степень, а затем и докторскую диссертацию в этой области. Цель у него простая и понятная: увеличение продолжительности жизни человека вплоть до полного бессмертия за счет замены частей тела и органов механическими или искусственными.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: