Физики раскрыли тайну исчезновения частиц и античастиц в графене — Naked Science
11 минут
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, 15:24
5 минут
Илья Ведмеденко

Военно-морской флот получил многоцелевую атомную подводную лодку К-561 «Казань». Это один из самых совершенных кораблей такого типа в мире.

Позавчера, 17:46
17 минут
Александр Березин

SpaceX после затяжной серии аварий нормально посадила прототип Starship SN15. Огромная стальная ракета поднялась в воздух на десять километров, выполнила там сложные кульбиты, которые не могла сделать ни одна ракета ранее, а затем плавно опустилась вниз. Одни говорят, что это революция, другие — что «СССР так умел полвека назад». Кто прав и что будет дальше? Попробуем разобраться.

10 часов назад
4 минуты
Илья Ведмеденко

Соединенные Штаты провели имитацию применения нового гиперзвукового комплекса воздушного базирования AGM-183A. В качестве «носителя» выступил стратегический бомбардировщик B-52.

1 мая
37 минут
Александр Березин

Бразильское агентство по наблюдению за здоровьем граждан (ANVISA) заявило, что нашло в вакцине «Спутник-V» некий живой вирус. Что оно имеет в виду и почему более авторитетные западные игроки не выявили подобных причин для беспокойства? Есть и другие поводы для обеспокоенных вопросов. Обе массовые западные аденовирусные вакцины от Covid-19 вызывают необычные тромбы, которые уже имели смертельные исходы. Правы ли те, кто ожидает таких же побочных эффектов от «Спутника», и почему их в этом случае еще ни разу не смогли найти?

2 мая
62 минуты
Николай Цыгикало

Знаменитый ракетный комплекс «Искандер» стал одним из символов российской военной мощи. Он не покидает центра внимания экспертов и средств массовой информации, а его тактико-технические характеристики приводятся в каждом информационном ресурсе военной тематики. Но цифры цифрами, а что за ними? Посмотрим на работу «Искандера» с разных сторон, чтобы разобраться в принципах действия и логике конструктивных решений. Тогда глубина понимания позволит пройти дальше одних лишь цифр ТТХ, и при всей важности они окажутся не на первом месте. Наш материал — самый полный рассказ о работе «Искандера» в открытом доступе.

Позавчера, 17:46
17 минут
Александр Березин

SpaceX после затяжной серии аварий нормально посадила прототип Starship SN15. Огромная стальная ракета поднялась в воздух на десять километров, выполнила там сложные кульбиты, которые не могла сделать ни одна ракета ранее, а затем плавно опустилась вниз. Одни говорят, что это революция, другие — что «СССР так умел полвека назад». Кто прав и что будет дальше? Попробуем разобраться.

23 апреля
11 минут
Василий Парфенов

Действующий глава NASA в рамках общения с прессой ответил на ряд вопросов, касающихся недавних заявлений российских политиков и главы «Роскосмоса» о скором отказе от собственного сегмента МКС. Администратор заверил всех, что агентство находится в хороших отношениях с Россией, а также поделился информацией о согласовании обмена местами для астронавтов и космонавтов в пилотируемых миссиях двух стран.

16 апреля
4 минуты
Илья Ведмеденко

Исследователи установили, что обнаруженный в Баренцевом море объект — погибшая советская субмарина типа «Крейсерская». Это одна из самых больших подлодок СССР периода Второй мировой.

8 апреля
13 минут
Мария Азарова

Когда знаменитый епископ Лунда Педер Винструп умер, его похоронили в семейном склепе в Лундском соборе вместе с женой. После реставрации собора в XIX веке гробы перенесли в общее хранилище, а в 2012 году ученые решили исследовать мумифицированные останки. Неожиданно в ногах Винструпа обнаружили небольшой кулек — завернутое в ткань тело недоношенного ребенка. Это открытие вызвало резонный вопрос: как эмбрион попал в гроб к епископу и имели ли они родственную связь?

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

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: