I ricercatori dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca e dell'Università di Tohoku (Giappone) hanno spiegato lo sconcertante fenomeno dell'annichilazione particella-antiparticella nel grafene, riconosciuto dagli specialisti come ricombinazione Auger. Sebbene costantemente osservato negli esperimenti, per lungo tempo si è pensato che fosse proibito dalle leggi fisiche fondamentali della conservazione dell'energia e della quantità di moto. La spiegazione teorica di questo processo è rimasta fino a poco tempo fa uno dei più grandi enigmi della fisica dello stato solido. La teoria che spiega il fenomeno è stata pubblicata in Revisione fisica B .

Nel 1928, Paul Dirac predisse che un elettrone ha una particella gemella, che è identico sotto tutti gli aspetti tranne che per la sua carica elettrica opposta. Questa particella, chiamato positrone, fu presto scoperto sperimentalmente. Diversi anni dopo, scienziati si sono resi conto che i portatori di carica nei semiconduttori:silicio, germanio, arseniuro di gallio, ecc.-si comportano come elettroni e positroni. Questi due tipi di portatori di carica nei semiconduttori erano chiamati elettroni e lacune. Le loro rispettive cariche sono negative e positive, e possono ricombinarsi, o annichilirsi a vicenda, rilasciando energia. La ricombinazione elettrone-lacuna accompagnata dall'emissione di luce fornisce il principio di funzionamento dei laser a semiconduttore, che sono dispositivi cruciali per l'optoelettronica.

L'emissione di luce non è l'unico possibile esito di un elettrone che entra in contatto con una lacuna in un semiconduttore. L'energia liberata viene spesso dispersa dalle vibrazioni termiche degli atomi vicini o raccolta da altri elettroni (figura 1). Quest'ultimo processo è indicato come ricombinazione Auger ed è il principale "killer" delle coppie elettrone-lacuna attive nei laser. Porta il nome del fisico francese Pierre Auger, che ha studiato questi processi. Gli ingegneri laser si sforzano di massimizzare la probabilità di emissione di luce sulla ricombinazione elettrone-lacuna e di sopprimere tutti gli altri processi.

Così, la comunità dell'optoelettronica ha accolto con entusiasmo la proposta di laser a semiconduttore a base di grafene formulata dal laureato del MIPT Victor Ryzhii. Il concetto teorico iniziale diceva che la ricombinazione Auger nel grafene dovrebbe essere proibita dalle leggi di conservazione dell'energia e della quantità di moto. Queste leggi sono matematicamente simili per le coppie elettrone-lacuna nel grafene e per le coppie elettrone-positrone nella teoria originale di Dirac, e l'impossibilità della ricombinazione elettrone-positrone con trasferimento di energia a una terza particella è nota da molto tempo.

Però, gli esperimenti con i portatori di carica calda nel grafene hanno costantemente restituito il risultato sfavorevole:gli elettroni e le lacune nel grafene si ricombinano con una velocità relativamente alta, e il fenomeno sembrava riconducibile all'effetto Auger. Inoltre, ha impiegato una coppia elettrone-lacuna meno di un picosecondo, o un trilionesimo di secondo, scomparire, che è centinaia di volte più veloce rispetto ai materiali optoelettronici contemporanei. Gli esperimenti hanno suggerito un duro ostacolo per l'implementazione di un laser a base di grafene.

I ricercatori del MIPT e della Tohoku University hanno scoperto che la ricombinazione di elettroni e lacune nel grafene, proibito dalle classiche leggi di conservazione, è reso possibile nel mondo quantistico dal principio di indeterminazione energia-tempo. Essa afferma che le leggi di conservazione possono essere violate in misura inversamente proporzionale al tempo libero medio della particella. Il tempo libero medio di un elettrone nel grafene è piuttosto breve, poiché i portatori densi formano un "mash" fortemente interattivo. Per spiegare sistematicamente l'incertezza dell'energia delle particelle, la cosiddetta tecnica delle funzioni di Green di non equilibrio è stata sviluppata nella moderna meccanica quantistica. Questo approccio è stato impiegato dagli autori dell'articolo per calcolare la probabilità di ricombinazione Auger nel grafene. Le previsioni ottenute sono in buon accordo con i dati sperimentali.

"All'inizio, sembrava un rompicapo matematico, piuttosto che un normale problema fisico, "dice Dmitry Svintsov, il capo del Laboratorio di Materiali 2-D per Optoelettronica al MIPT. "Le leggi di conservazione comunemente accettate consentono la ricombinazione solo se tutte e tre le particelle coinvolte si muovono esattamente nella stessa direzione. La probabilità di questo evento è come il rapporto tra il volume di un punto e il volume di un cubo:si avvicina allo zero. Fortunatamente, decidemmo presto di rifiutare la matematica astratta in favore della fisica quantistica, che dice che una particella non può avere un'energia ben definita. Ciò significa che la probabilità in questione è finita, e anche sufficientemente alto per essere osservato sperimentalmente"

Lo studio non si limita a offrire una spiegazione del perché il processo Auger "proibito" sia effettivamente possibile. È importante sottolineare che specifica le condizioni in cui questa probabilità è sufficientemente bassa da rendere praticabili i laser a base di grafene. Poiché le particelle e le antiparticelle svaniscono rapidamente negli esperimenti con i vettori caldi nel grafene, i laser possono sfruttare i vettori a bassa energia, che dovrebbe avere una durata maggiore, secondo i calcoli. Nel frattempo, la prima prova sperimentale della generazione di laser nel grafene è stata ottenuta presso l'Università di Tohoku in Giappone.

In particolare, il metodo per il calcolo dei tempi di vita delle lacune degli elettroni sviluppato nell'articolo non è limitato al grafene. È applicabile a una vasta classe di cosiddetti materiali Dirac, in cui i portatori di carica si comportano in modo simile agli elettroni e ai positroni nella teoria originale di Dirac. Secondo calcoli preliminari, i pozzi quantistici di tellururo di cadmio e mercurio potrebbero consentire tempi di vita dei vettori molto più lunghi, e quindi una generazione laser più efficace, poiché le leggi di conservazione per le ricombinazioni Auger in questo caso sono più rigorose.