Videnskab
 science >> Videnskab >  >> nanoteknologi

Fysikere løser mysteriet med forsvindende partikler i grafen

To scenarier for elektron-hul-rekombination i grafen. Ved strålingsrekombination (venstre), gensidig udslettelse af en elektron og et hul, vist som henholdsvis blå og røde kugler, frigør energi i form af en foton, en portion lys. Ved sneglerekombination (til højre), denne energi opfanges af en elektron, der passerer forbi. Auger-processen er skadelig for halvlederlasere, fordi det forbruger den energi, der kunne bruges til at producere laserlys. I lang tid, Auger-processen blev anset for at være umulig i grafen på grund af lovene om bevarelse af energi og momentum. Kredit:Elena Khavina/MIPT

Forskere fra Moscow Institute of Physics and Technology og Tohoku University (Japan) har forklaret det forvirrende fænomen med partikel-antipartikel-udslettelse i grafen, anerkendt af specialister som Auger-rekombination. Selvom det vedholdende observeres i eksperimenter, det blev i lang tid anset for at være forbudt af de grundlæggende fysiske love om energi og momentumbevarelse. Den teoretiske forklaring på denne proces har indtil for nylig forblevet et af de største gåder i faststoffysikken. Teorien, der forklarer fænomenet, blev offentliggjort i Fysisk gennemgang B .

I 1928, Paul Dirac forudsagde, at en elektron har en tvillingpartikel, som er identisk i alle henseender, men for sin modsatte elektriske ladning. Denne partikel, kaldet positron, blev hurtigt opdaget eksperimentelt. Flere år senere, forskere indså, at ladningsbærerne i halvledere - silicium, germanium, galliumarsenid, osv. - opfører sig som elektroner og positroner. Disse to slags ladningsbærere i halvledere blev kaldt elektroner og huller. Deres respektive ladninger er negative og positive, og de kan kombineres igen, eller udslette hinanden, frigiver energi. Elektron-hul-rekombination ledsaget af emission af lys giver driftsprincippet for halvlederlasere, som er enheder, der er afgørende for optoelektronik.

Emissionen af ​​lys er ikke det eneste mulige resultat af en elektron, der kommer i kontakt med et hul i en halvleder. Den frigjorte energi går ofte tabt til termiske vibrationer fra naboatomerne eller opfanges af andre elektroner (figur 1). Sidstnævnte proces omtales som Auger-rekombination og er den vigtigste "dræber" af aktive elektron-hul-par i lasere. Den bærer navnet på den franske fysiker Pierre Auger, der studerede disse processer. Laseringeniører stræber efter at maksimere sandsynligheden for lysemission ved elektron-hul-rekombination og at undertrykke alle de andre processer.

Dermed, optoelektroniksamfundet hilste entusiastisk forslaget om grafenbaserede halvlederlasere formuleret af MIPT-kandidat Victor Ryzhii. Det oprindelige teoretiske koncept sagde, at Auger-rekombination i grafen skulle være forbudt af energi- og momentumbevarelseslovene. Disse love er matematisk ens for elektron-hul-par i grafen og for elektron-positron-par i Dirac's oprindelige teori, og umuligheden af ​​elektron-positron-rekombination med energioverførsel til en tredje partikel har været kendt i lang tid.

Imidlertid, eksperimenter med varme ladningsbærere i grafen gav konsekvent det ugunstige resultat:Elektroner og huller i grafen rekombinerer med en relativt høj hastighed, og fænomenet syntes at kunne tilskrives Auger-effekten. I øvrigt, det tog et elektron-hul-par mindre end et picosekund, eller en trilliontedel af et sekund, at forsvinde, hvilket er hundredvis af gange hurtigere end i nutidige optoelektroniske materialer. Eksperimenterne antydede en hård hindring for implementeringen af ​​en grafenbaseret laser.

Forskerne fra MIPT og Tohoku University fandt ud af, at rekombinationen af ​​elektroner og huller i grafen, forbudt af de klassiske fredningslove, er muliggjort i kvanteverdenen af ​​energi-tidsusikkerhedsprincippet. Den fastslår, at bevaringslovene kan overtrædes i det omfang, der er omvendt proportionalt med partiklens gennemsnitlige fritid. Den gennemsnitlige fritid for en elektron i grafen er ret kort, da de tætte bærere danner en stærkt interagerende "mæsk". For systematisk at redegøre for usikkerheden ved partikelenergi, den såkaldte nonequilibrium Greens funktionsteknik blev udviklet i moderne kvantemekanik. Denne tilgang blev anvendt af forfatterne til papiret til at beregne Auger-rekombinationssandsynlighed i grafen. De opnåede forudsigelser er i god overensstemmelse med de eksperimentelle data.

"Først det lignede en matematisk hjernevrider, snarere end et almindeligt fysisk problem, " siger Dmitry Svintsov, leder af Laboratoriet for 2-D Materialer til Optoelektronik ved MIPT. "De almindeligt accepterede bevarelseslove tillader kun rekombination, hvis alle tre involverede partikler bevæger sig nøjagtigt i samme retning. Sandsynligheden for denne begivenhed er ligesom forholdet mellem rumfanget af et punkt og rumfanget af en terning - den nærmer sig nul. Heldigvis, vi besluttede snart at afvise abstrakt matematik til fordel for kvantefysik, som siger, at en partikel ikke kan have en veldefineret energi. Det betyder, at den pågældende sandsynlighed er begrænset, og endda tilstrækkelig høj til at blive eksperimentelt observeret"

Undersøgelsen giver ikke blot en forklaring på, hvorfor den "forbudte" Auger-proces faktisk er mulig. Vigtigt, den specificerer betingelserne, når denne sandsynlighed er lav nok til at gøre grafenbaserede lasere levedygtige. Da partikler og antipartikler hurtigt forsvinder i eksperimenter med varme bærere i grafen, laserne kan udnytte lavenergibærerne, som skal have længere levetid, ifølge beregningerne. I mellemtiden det første eksperimentelle bevis på lasergenerering i grafen er opnået ved Tohoku University i Japan.

Især metoden til beregning af elektronhul-levetider udviklet i papiret er ikke begrænset til grafen. Det er anvendeligt til en stor klasse af såkaldte Dirac materialer, hvor ladningsbærere opfører sig på samme måde som elektronerne og positronerne i Diracs oprindelige teori. Ifølge foreløbige beregninger, kvantebrøndene med kviksølv-cadmiumtellurid kunne muliggøre meget længere bærerlevetider, og dermed mere effektiv lasergenerering, da bevarelseslovene for Auger-rekombinationer i dette tilfælde er strengere.


Varme artikler