Текст уведомления здесь

В МФТИ придумали способ сделать графеновый лазер

Загадочное взаимное уничтожение частиц и античастиц в графене имеет квантовую природу. При определенных условиях его можно подавить, что открывает путь к созданию лазеров на основе графена.
Добавить в закладки
Комментарии

Ученые из МФТИ и Университета Тохоку (Япония) объяснили парадоксальное взаимное уничтожение частиц и античастиц в графене — так называемую Оже-рекомбинацию. 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. Соответствующая статья опубликована в Physical Review B.

У электрона есть античастица — антиэлектрон, или позитрон. Носители заряда в полупроводниках — кремнии, германии, арсениде галлия и многих других — также ведут себя подобно электронам и позитронам. В полупроводниках есть два типа носителей с противоположным зарядом (их называют электронами и дырками), и они могут взаимно уничтожаться (рекомбинировать) с высвобождением избытка энергии. Рекомбинация электрона и дырки со следующим за этим испусканием фотона (излучением света) — основа работы полупроводникового лазера, основного прибора современной оптоэлектроники.

Но испускание фотона не единственный возможный исход столкновения электрона и дырки. Часто освобождающаяся энергия может быть потеряна на «раскачку» соседних атомов кристаллической решетки или «подхвачена» пролетающим мимо электроном. Такой подхват другим электроном называется Оже-рекомбинацией и является главным «убийцей» электрон-дырочных пар в лазерах. Обычно разработчики лазеров стремятся усилить вероятность излучения света при столкновении электрона и дырки и ослабить вероятность Оже-рекомбинации.

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. Изображение: пресс-служба МФТИ.
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. Изображение: пресс-служба МФТИ.

Некоторое время назад выпускник МФТИ Виктор Рыжий предложил использовать графен в качестве материала для полупроводниковых лазеров в оптоэлектронике. Ведь по 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 (описывающей взаимодействие электрона и позитрона). Запрет же рекомбинации электрона и позитрона с передачей энергии третьей частице был известен очень давно.

Однако в реальных экспериментах в графене упорно демонстрировалось быстрое взаимное исчезновение «частиц» и «античастиц», то есть 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. Иными словами, эксперимент обещал огромные трудности в реализации лазера на основе графена — чуть ли не вся его энергия должна была уходить в «паразитную» Оже-рекомбинацию.

Исследователи из МФТИ и Университета Тохоку применили для расчета вероятности Оже-процесса в графене метод неравновесных функций Грина, который позволяет систематически учесть неопределенность энергии частицы. Дело в том, в квантовом мире благодаря соотношению неопределенностей «время-энергия» закон сохранения импульса 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», — соответственно, возможное нарушение закона сохранения импульса может быть довольно большим. Результаты расчетов показали хорошее согласие с экспериментальными данными: графен действительно способен к Оже-рекомбинации из-за квантовой неопределенности.

Законы классической физики, примененные к движению частиц, разрешают рекомбинацию, только если все три частицы-участницы (электрон, дырка и электрон — «похититель» энергии) движутся строго в одну сторону. Понятно, что вероятность такого события крайне мала. Однако если перейти к квантовой физике, то там частица не имеет строго определенной энергии, что и позволяет вероятности процесса рекомбинации оказаться 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 вновь актуальной идею лазеров на основе графена. Первые экспериментальные свидетельства подобной лазерной генерации уже получены в Университете Тохоку.

Важно, что метод расчета времени «сгорания» электронов и дырок, развитый в работе, не ограничен графеном. 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», а значит, вероятность самой «паразитной» рекомбинации там будет заметно ниже.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы