Pesquisadores do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou e da Universidade Tohoku (Japão) explicaram o fenômeno intrigante da aniquilação de partículas-antipartículas no grafeno, reconhecida por especialistas como recombinação Auger. Embora persistentemente observado em experimentos, por muito tempo foi considerado proibido pelas leis físicas fundamentais de conservação de energia e momentum. A explicação teórica desse processo permaneceu até recentemente um dos maiores quebra-cabeças da física do estado sólido. A teoria que explica o fenômeno foi publicada em Revisão Física B .

Em 1928, Paul Dirac previu que um elétron tem uma partícula gêmea, que é idêntico em todos os aspectos, exceto por sua carga elétrica oposta. Esta partícula, chamado pósitron, foi logo descoberto experimentalmente. Vários anos depois, os cientistas perceberam que os portadores de carga em semicondutores - silício, germânio, arsenieto de gálio, etc - comportar-se como elétrons e pósitrons. Esses dois tipos de portadores de carga em semicondutores eram chamados de elétrons e lacunas. Suas respectivas cargas são negativas e positivas, e eles podem se recombinar, ou aniquilar uns aos outros, liberando energia. A recombinação elétron-buraco acompanhada pela emissão de luz fornece o princípio de operação dos lasers semicondutores, que são dispositivos cruciais para optoeletrônica.

A emissão de luz não é o único resultado possível de um elétron entrar em contato com um buraco em um semicondutor. A energia liberada é freqüentemente perdida nas vibrações térmicas dos átomos vizinhos ou captada por outros elétrons (figura 1). O último processo é conhecido como recombinação Auger e é o principal "assassino" de pares de elétrons-lacunas ativos em lasers. Tem o nome do físico francês Pierre Auger, quem estudou esses processos. Os engenheiros de laser se esforçam para maximizar a probabilidade de emissão de luz na recombinação elétron-buraco e suprimir todos os outros processos.

Assim, a comunidade optoeletrônica recebeu com entusiasmo a proposta de lasers semicondutores à base de grafeno formulada pelo graduado do MIPT Victor Ryzhii. O conceito teórico inicial dizia que a recombinação Auger no grafeno deveria ser proibida pelas leis de conservação de energia e momento. Essas leis são matematicamente semelhantes para pares elétron-buraco no grafeno e para pares elétron-pósitron na teoria original de Dirac, e a impossibilidade de recombinação elétron-pósitron com transferência de energia para uma terceira partícula é conhecida há muito tempo.

Contudo, experimentos com portadores de carga quente no grafeno retornaram consistentemente o resultado desfavorável:elétrons e lacunas no grafeno se recombinam com uma taxa relativamente alta, e o fenômeno parecia atribuível ao efeito Auger. Além disso, levou um par elétron-buraco menos de um picossegundo, ou um trilionésimo de segundo, para desaparecer, que é centenas de vezes mais rápido do que em materiais optoeletrônicos contemporâneos. Os experimentos sugeriram um grande obstáculo para a implementação de um laser à base de grafeno.

Os pesquisadores do MIPT e da Universidade Tohoku descobriram que a recombinação de elétrons e lacunas no grafeno, proibida pelas leis clássicas de conservação, é possível no mundo quântico pelo princípio da incerteza de energia-tempo. Afirma que as leis de conservação podem ser violadas na medida inversamente proporcional ao tempo livre médio da partícula. O tempo livre médio de um elétron no grafeno é bastante curto, à medida que os portadores densos formam uma "mistura" de forte interação. Para contabilizar sistematicamente a incerteza da energia das partículas, a chamada técnica de funções de Green sem equilíbrio foi desenvolvida na mecânica quântica moderna. Esta abordagem foi empregada pelos autores do artigo para calcular a probabilidade de recombinação Auger no grafeno. As previsões obtidas estão de acordo com os dados experimentais.

"Inicialmente, parecia um quebra-cabeças matemático, em vez de um problema físico comum, "diz Dmitry Svintsov, o chefe do Laboratório de Materiais 2-D para Optoeletrônica do MIPT. "As leis de conservação comumente aceitas permitem a recombinação apenas se todas as três partículas envolvidas estiverem se movendo precisamente na mesma direção. A probabilidade desse evento é como a razão entre o volume de um ponto e o volume de um cubo - ela se aproxima de zero. Felizmente, logo decidimos rejeitar a matemática abstrata em favor da física quântica, que diz que uma partícula não pode ter uma energia bem definida. Isso significa que a probabilidade em questão é finita, e mesmo suficientemente alto para ser experimentalmente observado "

O estudo não oferece apenas uma explicação de por que o processo Auger "proibido" é realmente possível. Mais importante, especifica as condições em que essa probabilidade é baixa o suficiente para tornar viáveis ​​os lasers baseados em grafeno. Como as partículas e antipartículas desaparecem rapidamente em experimentos com transportadores quentes de grafeno, os lasers podem explorar os portadores de baixa energia, que deve ter uma vida útil mais longa, de acordo com os cálculos. Enquanto isso, a primeira evidência experimental de geração de laser em grafeno foi obtida na Tohoku University no Japão.

Notavelmente, o método de cálculo dos tempos de vida do buraco do elétron desenvolvido no artigo não se limita ao grafeno. É aplicável a uma grande classe dos chamados materiais Dirac, em que os portadores de carga se comportam de maneira semelhante aos elétrons e pósitrons da teoria original de Dirac. De acordo com cálculos preliminares, os poços quânticos de telureto de mercúrio e cádmio poderiam permitir vidas úteis muito mais longas, e, portanto, geração de laser mais eficaz, já que as leis de conservação para recombinações Auger, neste caso, são mais rigorosas.