Розгадка причин Оже-рекомбінації електронів і дірок у графені робить можливою створення лазерів на його основі.
Носіями заряду в напівпровіднику служать електрони і дірки. Зустрівшись, вони взаємно знищують один одного, що фізики називають рекомбінацією. Електрон при цьому втрачає енергію, доля якої може бути різною.
Рекомбінація електрона і дірки з випромінюванням світла становить принцип роботи напівпровідникового лазера, основного приладу сучасної оптоелектроніки. Але випромінювання - не єдиний можливий результат. Енергія, що часто звільняється, йде на розкачку сусідніх атомів, або підхоплюється електроном, що пролітає повз. Останній процес називається Оже-рекомбінацією. Він названий на честь французького фізика П'єра Оже, який досліджував ці процеси.
Розробники лазерів прагнуть посилити випромінювання світла при зіткненні електрона і дірки і послабити всі інші процеси, в тому числі і Оже-рекомбінацію, яка згубна для напівпровідникових лазерів, так як забирає собі енергію, яка могла б стати світлом.
Фізики з МФТІ та університету Тохоку (Японія) пояснили парадоксальне явище Оже-рекомбінації в графені, яке в цьому почесному матеріалі з одного боку вважалося забороненим фундаментальними фізичними законами збереження імпульсу та енергії, а з іншого наполегливо спостерігалося в експериментах. Теоретичне обґрунтування цього процесу представляло донедавна одну з найскладніших загадок фізики твердого тіла. Результати дослідження опубліковані в журналі Physical Review B.
У 1928 році Поль Дірак теоретично передбачив, що в електрона існує двійник, який не відрізняється нічим, крім знака електричного заряду. Цю частку, названу позитроном, незабаром відкрили експериментально. Через кілька років фізики усвідомили, що носії заряду в напівпровідниках - кремнії, німеччині, арсеніді галію і багатьох інших - поводяться подібно електронам і позитронам. Електрони і дірки теж можуть взаємно знищуватися з вивільненням надлишку енергії.
Математично закони збереження виглядають схожим чином для електрон-дирочних пар в графені і для електрон-позитронних пар в теорії Дірака. Заборона рекомбінації електрона і позитрона з передачею енергії третій частинці була відома дуже давно. Це означало, що Оже-рекомбінація в графені теж повинна бути заборонена законами збереження імпульсу та енергії.
Однак у графені експерименти наполегливо демонстрували швидке взаємне зникнення частинок і античастинок, електронів і дірок. За всіма зовнішніми проявами це зникнення йшло за сценарієм Оже. Більш того, час зникнення пар в експерименті становив менше пікосекунди, і це в сотні разів швидше, ніж у використовуваних зараз оптоелектронних матеріалах. Експерименти передрікали величезні труднощі в реалізації лазера на основі графену, яку запропонував один з авторів роботи, випускник МФТІ, Віктор Рудий.
Дослідники з лабораторії оптоелектроніки почесних матеріалів МФТІ (керівник Дмитро Свинцов) і Тохоку з'ясували, що заборонене класичними законами збереження Оже-рекомбінація електронів і дірок у графені дозволяється в квантовому світі завдяки співвідношенню невизначеностей «час - енергія». Згідно з ним, закон збереження можна порушити на величину, назад пропорційну часу вільного пробігу частинки. А час вільного пробігу електрону в графені дуже мало, оскільки електрони являють собою щільну «кашу».
Звичні закони збереження дозволяють Оже-рекомбінацію, тільки якщо всі три частинки - учасниці процесу рухаються строго в одну сторону. Ймовірність такої події прагне до нуля. Використовуючи потужні методи квантової фізики, що враховують невизначеність енергії частинки, автори вирішили проблему. Ймовірність процесу виявилася кінцевою і достатньою для експериментального спостереження, причому отримані результати показали хорошу згоду з експериментальними даними.
Важливо, що дослідження не тільки пояснює можливість «забороненого» процесу Оже-рекомбінації, а й вказує умови, за яких він буде слабким. Це робить можливим створення лазерів на основі графена. Перші експериментальні свідчення лазерної генерації вже отримані в університеті Тохоку (Японія). Крім того, при швидкому «згорянні» електрони і дірки нагріваються до надвисоких температур, а в лазерах можна використовувати носії з малою енергією, які, згідно з розрахунками, живуть довше, а значить, лазерна генерація буде більш ефективна.
Не менш важливо, що розвинений метод розрахунку часу «згоряння» електронів і дірок не обмежений графеном. Він стосується цілого сімейства так званих «діраківських матеріалів», в яких поведінка носіїв заряду подібна електронам і позитронам з теорії Дірака. За попередніми розрахунками, багато більшого часу життя носіїв можна досягти в квантових ямах з телуріду кадмія-ртуті, де закони збереження для Оже-рекомбінації виходять навіть «більш суворими».
За матеріалами прес-релізу МФТІ.