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俄物理学家:破解在石墨烯中的粒子消失之谜

日期:2017-06-22 人气: 编辑:jutan 来源:未知

在石墨烯中,粒子-反粒子湮灭的现象是非常令人困惑的。这个现象被解读为俄歇复合,尽管在实验中持续的被观测到,但长久以来,物理学家认为它是被能量和动量守恒的基本物理定律所禁止的。过去,该俄歇过程的理论解释一直是固体物理学中最大的谜题之一。直到现在,该谜题终于被莫斯科物理技术学院(MIPT)和日本东北大学的科学家破解。

1928年,保罗·狄拉克(Paul Dirac)预言了电子具有一个双胞胎粒子,它们的各个方面都相同,唯有电荷相反。这个粒子被称为正电子,并很快就在实验室中被发现。几年后,科学家发现半导体(比如硅、锗、砷化镓等)中的载流子(指可以自由移动的带有电荷的物质微粒)表现得像电子和正电子。半导体中的这两种载流子被称为电子和空穴。它们各自的电荷分别是负和正,它们可以相互复合,或相互湮灭,并释放出能量。

电子-空穴复合伴随着光子的发射,为半导体激光器(光电学的重要器件)之所以得以运作提供了工作原理。 在半导体中,光子的发射并不是电子与空穴相遇时发生的唯一可能结果。释放出的能量通常会丧失于相邻原子的热振动中,或者被其它电子接收(如下图)。后者指的是被称为俄歇复合(Auger recombination)的过程,是激光器中活跃的电子-空穴对的主要“杀手”。它以研究这些过程的法国物理学家皮埃尔·俄歇(Pierre Auger)的名字命名。激光工程师努力使电子-空穴复合时的光发射概率最大化,并抑制所有其他过程。 石墨烯中电子-空穴复合的两种情景。在辐射复合(左边)中,电子(篮球)和空穴(红球)的相互湮灭会以光子(构成光的粒子)的形式释放能量。

在俄歇复合(右边)中,这个能量会被经过的电子获得。俄歇过程会损害半导体激光器,因为它消耗了本可以用来产生激光的能量。而根据能量和动量守恒定律,在半导体中的俄歇过程一直被认为是不可能的。图片:Elena Khavina/MIPT Press Office 这就是为什么光电子界对MIPT毕业生Victor Ryzhii提出的基于石墨烯的半导体激光器的提议[1]表示热烈欢迎。最初的理论概念认为,石墨烯中的俄歇复合应被能量和动量守恒定律禁止。这些定律在数学上类似于石墨烯中的电子-空穴对和狄拉克原始理论中的电子-正电子对,而我们早已知道,不可能将电子-正电子复合时所伴随的能量转移至第三个粒子中。然而,在石墨烯中使用热载流子的实验始终得到了不被青睐的结果:石墨烯中的电子和空穴确实以较高的速率复合,这种现象似乎是由于俄歇效应所造成的。

此外,电子-空穴对在不到一皮秒(万亿分之一秒)的时间内就会消失,这比现代光电材料要快几百倍。实验表明,基于石墨烯的激光器的实现面临着巨大的障碍。来自MIPT和东北大学的研究人员发现,虽然在经典守恒定律中,石墨烯中的电子和空穴复合是被禁止的;但在量子世界中,能量-时间不确定性原理却为其提供了可能。根据该原理,守恒定律可能被违反的程度与粒子的平均自由时间呈反比。石墨烯中电子的平均自由时间很短,因为致密的载流子形成了一种强烈相互作用的“混合物”。 为了系统地解释粒子能量的不确定性,现代量子力学发展了所谓的非平衡格林函数方法。论文的作者利用这种方法计算了石墨烯中俄歇复合的概率。

所得的预测结果与实验数据非常相符。MIPT光电二维材料实验室的负责人Dmitry Svintsov表示说:“一开始,它看起来像是一个数学脑筋急转弯,而不是一个普通的物理问题。只有当涉及到的三个粒子都朝着同一个方向运动时,普遍接受的守恒定律才允许复合。这个事件的概率就像一个点的体积和一个立方体的体积的比值——它趋近于零。 幸运的是,我们很快就决定放弃抽象的数学而选择量子物理学,后者认为粒子不可能有定义明确的能量。这意味着这个事件的概率是有限的,甚至能高到足以在实验中被观测到。”这项研究不仅仅解释了为什么“被禁止的”俄歇过程实际上是可能的。重要的是,它指定了当这种概率足够低时,使基于石墨烯的激光器成为可能的条件。随着粒子和反粒子在有着热载流子的石墨烯实验皇冠428428娱乐娱城速消失,激光器可以利用低能量载流子。

根据计算,低能量载流子的寿命应该更长。同时,东北大学获得了石墨烯激光生成的第一个实验证据。 值得一提的是,该论文发展出的计算电子-空穴寿命的方法不仅适用于石墨烯,它可用于所有的狄拉克材料(比如石墨烯、拓扑绝缘体等等),即在这些材料中,载流子的行为与狄拉克原始理论中的电子和正电子类似。根据初步计算,碲镉汞量子阱可以使载流子的寿命更长,从而导致更有效的激光生成,因为在这种情况下,俄歇复合的守恒定律会更加严格。