来自俄罗斯莫斯科物理科学与技术研究所（MIPT）和日本东北大学的研究人员已经解释了石墨烯中粒子 - 反粒子湮灭的现象，这种现象被专家认为是俄歇复合。

石墨烯中电子 - 空穴复合的两种情况：辐射复合（左）和俄歇复合（右），其中能量被通过的电子拾取

尽管在实验中一直被发现，但人们认为它被能量和动量守恒的基本物理定律所禁止。直到最近，这一过程的理论解释仍然是固态物理学最大的难题之一。

1928年，狄拉克预测电子具有双粒子，除了相反的电荷外，它在所有方面都是相同的。这种叫做正电子的粒子很快就被发现了。几年后，科学家们意识到半导体中的电荷载体表现得像电子和正电子。半导体中的这两种电荷载体称为电子和空穴。它们各自的指控是消极和积极的，它们可以重新组合或相互消灭，释放能量。伴随光发射的电子 - 空穴复合提供了半导体激光器的工作原理，这对于光电子学是至关重要的。

光的发射不是电子与半导体中的孔接触的唯一可能结果。释放的能量经常被相邻原子的热振动损失或被其他电子吸收。后一过程称为俄歇复合，是激光器中有源电子 - 空穴对的主要“杀手”。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。

这就是由MIPT毕业生Victor Ryzhii制作的石墨烯基半导体激光器引人入胜的原因。最初的理论概念说，石墨烯中的俄歇复合应该被能量和动量守恒定律所禁止，在石墨烯中的电子 - 空穴对和狄拉克原始理论中的电子 - 正电子对在数学上是相似的，并且电子 - 正电子是不可能的。长期以来已知能量转移到第三颗粒的重组。

然而，在石墨烯中使用热电荷载体的实验一致地返回了不利的结果：石墨烯中的电子和空穴以相对高的速率重新组合，并且该现象似乎与俄歇效应有关。此外，电子空穴对小于皮秒或万亿分之一秒消失，比现代光电材料快数百倍。实验表明，实施基于石墨烯的激光器存在严峻的障碍。

这项工作的研究人员发现，经典守恒定律所禁止的石墨烯中电子和空穴的重组，在量子世界中通过能量 - 时间不确定性原理成为可能。它指出可能违反守恒定律的程度与粒子的平均自由时间成反比。石墨烯中电子的平均自由时间非常短，因为致密载流子形成强相互作用的结构。为了系统地解释粒子能量的不确定性，所谓的非平衡格林函数技术是在现代量子力学中发展起来的。该论文的作者采用这种方法来计算石墨烯中的俄歇重组概率。获得的预测与实验数据非常一致。

“起初，它看起来像是一个数学脑筋急转弯，而不是普通的物理问题，”MIPT光电子二维材料实验室负责人Dmitry Svintsov说。“普遍接受的守恒定律只有在所涉及的所有三个粒子都在同一方向上精确移动时才允许重组。此事件的概率类似于点的体积与立方体的体积之间的比率 - 它接近零。幸运的是，我们很快决定拒绝抽象数学，转而支持量子物理学，即量子物理学不能有明确定义的能量。这意味着所讨论的概率是有限的，甚至足够高，无法通过实验观察到。“

该研究不仅解释了为什么“禁止”的俄歇过程实际上是可能的，而且还规定了当这个概率足够低以使基于石墨烯的激光器可行时的条件。根据计算，随着石墨烯中热载流子的实验，粒子和反粒子迅速消失，激光可以利用低能量载体，这应该具有更长的寿命。同时，在日本东北大学获得了石墨烯激光产生的第一个实验证据。

值得注意的是，本文中开发的计算电子 - 空穴寿命的方法不限于石墨烯。它适用于一大类所谓的狄拉克材料，其中电荷载流子与狄拉克原始理论中的电子和正电子的行为类似。根据初步计算，汞碲化镉量子阱可以实现更长的载流子寿命，因此更有效的激光产生，因为在这种情况下俄歇复合的守恒定律更加严格。