Investigadores del Instituto de Física y Tecnología de Moscú y la Universidad de Tohoku (Japón) han explicado el desconcertante fenómeno de la aniquilación de partículas y antipartículas en el grafeno. reconocido por los especialistas como recombinación Auger. Aunque observado persistentemente en experimentos, Durante mucho tiempo se pensó que estaba prohibido por las leyes físicas fundamentales de la conservación de la energía y el momento. La explicación teórica de este proceso ha sido hasta hace poco uno de los mayores enigmas de la física del estado sólido. La teoría que explica el fenómeno fue publicada en Revisión física B .

En 1928, Paul Dirac predijo que un electrón tiene una partícula gemela, que es idéntico en todos los aspectos excepto por su carga eléctrica opuesta. Esta partícula, llamado el positrón, pronto fue descubierto experimentalmente. Muchos años después, Los científicos se dieron cuenta de que los portadores de carga en los semiconductores:silicio, germanio, arseniuro de galio, etc., se comportan como electrones y positrones. Estos dos tipos de portadores de carga en semiconductores se denominaron electrones y huecos. Sus respectivas cargas son negativas y positivas, y pueden recombinarse, o aniquilarse unos a otros, liberando energía. La recombinación de agujeros de electrones acompañada de la emisión de luz proporciona el principio de funcionamiento de los láseres semiconductores, que son dispositivos cruciales para la optoelectrónica.

La emisión de luz no es el único resultado posible de que un electrón entre en contacto con un agujero en un semiconductor. La energía liberada a menudo se pierde por las vibraciones térmicas de los átomos vecinos o es captada por otros electrones (figura 1). Este último proceso se conoce como recombinación Auger y es el principal "asesino" de los pares de agujeros de electrones activos en los láseres. Lleva el nombre del físico francés Pierre Auger, que estudiaron estos procesos. Los ingenieros de láser se esfuerzan por maximizar la probabilidad de emisión de luz tras la recombinación de huecos de electrones y suprimir todos los demás procesos.

Por lo tanto, la comunidad optoelectrónica acogió con entusiasmo la propuesta de láseres semiconductores basados ​​en grafeno formulada por el graduado de MIPT Victor Ryzhii. El concepto teórico inicial decía que la recombinación Auger en grafeno debería estar prohibida por las leyes de conservación de energía y momento. Estas leyes son matemáticamente similares para los pares electrón-hueco en el grafeno y para los pares electrón-positrón en la teoría original de Dirac. y la imposibilidad de la recombinación electrón-positrón con transferencia de energía a una tercera partícula se conoce desde hace mucho tiempo.

Sin embargo, Los experimentos con portadores de carga caliente en el grafeno arrojaron consistentemente el resultado desfavorable:los electrones y los huecos en el grafeno se recombinan con una tasa relativamente alta, y el fenómeno parecía atribuible al efecto Auger. Es más, tomó un par de agujeros de electrones menos de un picosegundo, o una billonésima de segundo, desaparecer, que es cientos de veces más rápido que en los materiales optoelectrónicos contemporáneos. Los experimentos sugirieron un duro obstáculo para la implementación de un láser basado en grafeno.

Los investigadores de MIPT y la Universidad de Tohoku encontraron que la recombinación de electrones y huecos en el grafeno, prohibido por las leyes clásicas de conservación, es posible en el mundo cuántico por el principio de incertidumbre energía-tiempo. Establece que las leyes de conservación pueden violarse en la medida inversamente proporcional al tiempo libre medio de la partícula. El tiempo libre medio de un electrón en grafeno es bastante corto, ya que los portadores densos forman una "mezcla" que interactúa fuertemente. Para explicar sistemáticamente la incertidumbre de la energía de las partículas, La llamada técnica de funciones de Green de desequilibrio se desarrolló en la mecánica cuántica moderna. Los autores del artículo utilizaron este enfoque para calcular la probabilidad de recombinación de Auger en el grafeno. Las predicciones obtenidas están de acuerdo con los datos experimentales.

"En primer lugar, parecía un acertijo matemático, en lugar de un problema físico ordinario, "dice Dmitry Svintsov, el jefe del Laboratorio de Materiales 2-D para Optoelectrónica en MIPT. "Las leyes de conservación comúnmente aceptadas permiten la recombinación solo si las tres partículas involucradas se mueven precisamente en la misma dirección. La probabilidad de este evento es como la relación entre el volumen de un punto y el volumen de un cubo:se acerca a cero. Afortunadamente, pronto decidimos rechazar las matemáticas abstractas en favor de la física cuántica, que dice que una partícula no puede tener una energía bien definida. Esto significa que la probabilidad en cuestión es finita, e incluso lo suficientemente alto para ser observado experimentalmente "

El estudio no ofrece simplemente una explicación de por qué el proceso Auger "prohibido" es realmente posible. En tono rimbombante, especifica las condiciones en las que esta probabilidad es lo suficientemente baja como para hacer viables los láseres basados ​​en grafeno. A medida que las partículas y antipartículas desaparecen rápidamente en experimentos con portadores calientes en grafeno, los láseres pueden explotar los portadores de baja energía, que debería tener una vida útil más larga, según los cálculos. Mientras tanto, la primera evidencia experimental de generación de láser en grafeno se obtuvo en la Universidad de Tohoku en Japón.

Notablemente, el método para calcular la vida útil de los huecos de electrones desarrollado en el artículo no se limita al grafeno. Es aplicable a una gran clase de los llamados materiales de Dirac, en el que los portadores de carga se comportan de manera similar a los electrones y positrones en la teoría original de Dirac. Según cálculos preliminares, Los pozos cuánticos de telururo de mercurio y cadmio podrían permitir una vida útil de los portadores mucho más larga, y por lo tanto una generación de láser más eficaz, ya que las leyes de conservación para las recombinaciones de Auger en este caso son más estrictas.