Физики раскрыли тайну исчезновения "частиц" и "античастиц" в графене
Физики из России и Японии нашли объяснение одному из "парадоксальных" свойств графена, выяснив, как электрические аналоги частиц и античастиц внутри него могут уничтожать друг друга, не нарушая законов физики. Их выводы были опубликованы в журнале Physical Review B.
"Эта задача была изначально похожа на математическую головоломку. Законы сохранения разрешают рекомбинацию только если все три частицы-участницы процесса движутся строго в одну сторону. Вероятность такого события стремится к нулю. К счастью, мы вовремя перешли от абстрактной математики к квантовой физике, где частица не имеет строго определенной энергии", - рассказывает Дмитрий Свинцов из Московского Физтеха в Долгопрудном, чьи слова приводит пресс-служба МФТИ.
Все полупроводниковые материалы содержат в себе некоторое количество свободных носителей заряда - электронов, и их виртуальных антиподов, так называемых "дырок", областей пространства, заряженных положительно. И электроны, и дырки могут мигрировать по материалу, сталкиваться друг с другом и взаимодействовать иными путями.
Эти взаимодействия, как сейчас считают физики, ничем не отличаются от того, что происходит при столкновении материи и антиматерии. К примеру, как столкновение дырки и электрона приводит к их взаимному "уничтожению" и высвобождению энергии, что сегодня используется в работе полупроводниковых лазеров и многих других приборов.
Помимо простой аннигиляции, есть и другой вариант "самоуничтожения" пар дырок и электронов, открытый еще в 1923 году известным французским физиком Пьером Оже. Он заметил, что этот процесс может привести не к рождению вспышки света, а разгону другой частицы, проходившей неподалеку от места столкновения позитрона и электрона. Этот феномен, получивший имя эффект Оже, сегодня считается главной причиной того, почему светодиоды и полупроводниковые лазеры резко теряют эффективность при повышении их мощности.
Как рассказывает Свинцов, открытие графена, двумерного материала, способного стать полупроводником, дало надежду на то, что от этого "вредного" эффекта удастся избавиться, так как его работе должны были мешать законы сохранения энергии и импульса и теория Дирака, описывающая поведение элементарных частиц.
Первые же эксперименты показали, что это не так - "энергия" куда-то утекала, и пары дырок и электронов неожиданным образом исчезали в сотни раз быстрее, чем это происходит в других материалах. Все это указывало на то, что эффект Оже в графене все же работает, что сразу породило ожесточенные споры среди теоретиков и экпериментаторов.
Российские ученые и их японские коллеги разрешили эти споры, обратив внимание на одну важную, но незаметную для глаза деталь - поведением электронов управляет не только классическая, но и квантовая физика.
В соответствии с ее законами, электрон представляет собой не "точечную" частицу, которая находится в одной точке пространства в любой конкретный момент времени, а своеобразное "облако", покрывающее достаточно большую область, в каждой из точек которой он одновременно находится.
Благодаря этому законы сохранения импульса и энергии могут "нарушаться" примерно в тех же пределах, которые может пройти свободный электрон, пока он не столкнется с другими объектами внутри графена или другого "плоского" материала. Как показывают расчеты ученые, эти нарушения позволяют эффекту Оже "обходить" классические законы физики и работать даже в невозможных условиях.
Что интересно, расчеты Свинцова и его коллег показали, что уровнем таких утечек энергии можно управлять, добавляя примеси в графен или меняя тип подложки, к которой он прикреплен. Это оставляет надежды на создание графеновых лазеров, способных работать на больших мощностях. Первые экспериментальные свидетельства этого уже получены в университете Тохоку.
