Графен раскрывает секреты

Разгадка причин Оже-рекомбинации электронов и дырок в графене делает возможной создание лазеров на его основе.

Носителями заряда в полупроводнике служат электроны и дырки. Встретившись, они взаимно уничтожают друг друга, что физики называют рекомбинацией. Электрон при этом теряет энергию, судьба которой может быть различной.

Рекомбинация электрона и дырки с излучением света составляет принцип работы полупроводникового лазера, основного прибора современной оптоэлектроники. Но излучение – не единственный возможный исход. Часто освобождающаяся энергия идет на раскачку соседних атомов, или подхватывается пролетающим мимо электроном. Последний процесс называется Оже-рекомбинацией. Он назван в честь французского физика Пьера Оже, исследовавшего эти процессы.

Разработчики лазеров стремятся усилить излучение света при столкновении электрона и дырки и ослабить все другие процессы, в том числе и Оже-рекомбинацию, которая губительна для полупроводниковых лазеров, так как забирает себе энергию, которая могла бы стать светом.

Физики из МФТИ и университета Тохоку (Япония) объяснили парадоксальное явление Оже-рекомбинации в графене, которое в этом двумерном материале с одной стороны считалось запрещённым фундаментальными физическими законами сохранения импульса и энергии, а с другой упорно наблюдалось в экспериментах. Теоретическое обоснование этого процесса представляло до недавнего времени одну из сложнейших загадок физики твёрдого 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 физики осознали, что носители заряда в полупроводниках — кремнии, германии, арсениде галлия и многих других — ведут себя подобно электронам и позитронам. Электроны и дырки тоже могут взаимно уничтожаться с высвобождением избытка энергии.

Математически законы сохранения выглядят схожим образом для электрон-дырочных пар в графене и для электрон-позитронных пар в теории Дирака. Запрет рекомбинации электрона и позитрона с передачей энергии третьей частице был известен очень давно. Это означало, что Оже-рекомбинация в графене тоже должна быть запрещена законами сохранения импульса и энергии.

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. Эксперименты предрекали огромные трудности в реализации лазера на основе графена, которую предложил один из авторов работы, выпускник МФТИ, Виктор Рыжий.

Исследователи из лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ (руководитель Дмитрий Свинцов) и Тохоку выяснили, что запрещённое классическими законами сохранения Оже-рекомбинация электронов и дырок в графене разрешается в квантовом мире благодаря соотношению неопределённостей «время — энергия». Согласно ему, закон сохранения можно нарушить на величину, обратно пропорциональную времени свободного пробега частицы. А время свободного пробега электрона в графене очень мало, поскольку электроны представляют собой плотную «кашу».

Привычные законы сохранения разрешают Оже-рекомбинацию, только если все три частицы — участницы процесса движутся строго в одну сторону. Вероятность такого события стремится к нулю. Используя мощные методы квантовой физики, учитывающие неопределённость энергии частицы, авторы решили проблему. Вероятность процесса оказалась конечной и достаточной для экспериментального наблюдения, причем полученные результаты показали хорошее согласие с экспериментальными данными.

Важно, что исследование не только объясняет возможность «запрещенного» процесса Оже-рекомбинации, но и указывает условия, при которых он будет слабым. Это делает возможным создание лазеров на основе графена. Первые экспериментальные свидетельства лазерной генерации уже получены в университете Тохоку (Япония). Кроме того, при быстром «сгорании» электроны и дырки нагреваются до сверхвысоких температур, а в лазерах можно использовать носители с малой энергией, которые, согласно расчетам, живут дольше, а значит, лазерная генерация будет более эффективна.

Не менее важно, что развитый метод расчёта времени «сгорания» электронов и дырок не ограничен графеном. Он применим к целому семейству так называемых «дираковских материалов», в которых поведение носителей заряда подобно электронам и позитронам из теории Дирака. По предварительным расчётам, много большего времени жизни носителей можно достичь в квантовых ямах из теллурида кадмия-ртути, где законы сохранения для Оже-рекомбинации получаются даже «более строгими».

По материалам пресс-релиза МФТИ.