Ученые смогли объяснить, почему частицы и античастицы в графене взаимно уничтожаются. Теоретическое обоснование этого процесса представляло до недавнего времени одну из сложнейших загадок физики твердого тела. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review B.

В полупроводниках есть два типа носителей с противоположным зарядом — частицы и античастицы. При взаимодействии друг с другом они уничтожаются (аннигилируют), при этом избыток энергии высвобождается. Часто эта энергия может быть потеряна на «раскачку» соседних атомов, или ее может «подхватить» пролетающий мимо электрон. Последний процесс называется Оже-рекомбинацией, он давно наблюдается в графене (плоской модификации углерода толщиной в один атом) экспериментально, однако до сих пор не был описан теоретически.

По изначальной теоретической идее, Оже-рекомбинация в графене невозможна, поскольку это противоречит законам сохранения импульса и энергии. Однако эксперименты в графене неизменно показывали, что частицы и античастицы взаимно уничтожаются довольно быстро. По всем внешним проявлениям это происходило по сценарию Оже. Ученые из МФТИ и университета Тохоку (Япония) смогли объяснить этот парадоксальный с точки зрения фундаментальной физики процесс.

Авторы исследования выяснили, что исчезновение электронов и дырок в графене можно объяснить квантовым соотношением неопределенности времени и энергии. Согласно ему, закон сохранения можно нарушить на величину, обратно пропорциональную времени свободного пробега частицы. А время свободного пробега электрона в графене очень мало, так как электроны представляют собой плотную «кашу». Опираясь на эти предположения, ученые рассчитали вероятностьь Оже-процесса в графене и получили результаты, которые совпали с экспериментальными данными.

«Эта задача была вначале похожа на математическую головоломку, а не на обычную физическую проблему. Привычные законы сохранения разрешают рекомбинацию только если все три частицы — участницы процесса движутся строго в одну сторону. Вероятность такого события — как отношение объема точки к объему куба, она стремится к нулю. К счастью, мы вовремя перешли от абстрактной математики к квантовой физике, где частица не имеет строго определенной энергии. И тогда вероятность процесса оказалась конечной и достаточной для экспериментального наблюдения», — рассказал Дмитрий Свинцов, один из авторов исследования, руководитель лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ.