Weylhalvmetaller är en nyligen upptäckt materialklass där laddningsbärare beter sig som elektroner och positroner gör i partikelacceleratorer. Forskare från Moskva institutet för fysik och teknik och Ioffe -institutet i Sankt Petersburg har visat att dessa material representerar perfekta vinstmedier för lasrar. Forskningsresultaten publicerades i Fysisk granskning B .

2000-talets fysik präglas av sökandet efter fenomen från världen av grundläggande partiklar i bordsskivmaterial. I vissa kristaller, elektroner rör sig som högenergipartiklar i acceleratorer. I andra, partiklar har till och med egenskaper som liknar svart hål.

MIPT-fysiker har vänt sökningen in och ut, bevisar att reaktioner som är förbjudna för elementarpartiklar också kan förbjudas i de kristallina materialen som kallas Weyl-halvmetaller. Specifikt, detta gäller den förbjudna reaktionen av ömsesidig utsläpp av partiklar mot partiklar utan ljusemission. Denna egenskap antyder att en Weyl -halvmetall kan vara det perfekta förstärkningsmediet för lasrar.

I en halvledarlaser, strålning beror på ömsesidig förintelse av elektroner och de positiva laddningsbärarna som kallas hål. Dock, ljusemission är bara ett möjligt resultat av en elektron-hålsparkollision. Alternativt, energin kan bygga upp svängningar av atomer i närheten eller värma de närliggande elektronerna. Den senare processen kallas Auger recombination, till ära för den franske fysikern Pierre Auger.

Auger-rekombination begränsar effektiviteten hos moderna lasrar i det synliga och infraröda området, och allvarligt undergräver terahertz -lasrar. Den äter upp elektronhålspar som annars skulle ha producerat strålning. Dessutom, denna process värmer upp enheten.

I nästan ett sekel, forskare har sökt ett "undermaterial" där strålningsrekombination dominerar över Auger -rekombination. Denna sökning styrdes av en idé som formulerades 1928 av Paul Dirac. Han utvecklade en teori om att elektronen, som redan hade upptäckts, hade en positivt laddad tvillingpartikel, positronen. Fyra år senare, förutsägelsen bevisades experimentellt. I Diracs beräkningar, en ömsesidig förintelse av en elektron och positron producerar alltid ljus och kan inte ge energi till andra elektroner. Det är därför som sökandet efter ett underverk som ska användas i lasrar till stor del sågs som en sökning efter analoger av Dirac -elektronen och positronet i halvledare.

"På 1970 -talet, förhoppningarna var till stor del förknippade med blysalter, och på 2000 -talet - med grafen, "säger Dmitry Svintsov, chef för laboratoriet för 2-D-material för optoelektronik vid MIPT. "Men partiklarna i dessa material uppvisade avvikelser från Diracs koncept. Grafenfallet visade sig vara ganska patologiskt, eftersom begränsning av elektroner och hål till två dimensioner faktiskt ger upphov till Auger -rekombination. I 2-D-världen, det finns lite utrymme för partiklar för att undvika kollisioner."

"Vår senaste tidning visar att Weyl -halvmetaller är det närmaste vi har kommit att förverkliga en analogi med Diracs elektroner och positroner, " tillade Svintsov, som var huvudutredaren i den rapporterade studien.

Elektroner och hål i en halvledare har samma elektriska laddningar som Diracs partiklar. Men det krävs mer än så för att eliminera Auger-rekombination. Laseringenjörer söker den typ av partiklar som skulle matcha Diracs teori när det gäller deras spridningsförhållanden. De senare binder partikelns kinetiska energi till dess rörelsemängd. Den ekvationen kodar all information om partikelns rörelse och de reaktioner den kan genomgå.

I klassisk mekanik, föremål som stenar, planeter, eller rymdskepp följer en kvadratisk dispersionsekvation. Det är, fördubbling av rörelsemängden resulterar i en fyrfaldig ökning av kinetisk energi. I konventionella halvledare - kisel, germanium, eller galliumarsenid - dispersionsrelationen är också kvadratisk. För fotoner, ljusets kvanta, dispersionsförhållandet är linjärt. En av konsekvenserna är att en foton alltid rör sig med just ljusets hastighet.

Elektronerna och positronerna i Diracs teori upptar en medelväg mellan bergarter och fotoner:vid låga energier, deras spridningsförhållande är kvadratiskt, men vid högre energier blir det linjärt. Tills nyligen, fastän, det tog en partikelaccelerator för att "katapulta" en elektron i den linjära sektionen av dispersionsförhållandet.

Vissa nyupptäckta material kan fungera som "fickacceleratorer" för laddade partiklar. Bland dem är "pennspetsacceleratorn - grafen och dess tredimensionella analoger, känd som Weyl -halvmetaller:tantalarsenid, niobiumfosfat, molybden tellurid. I dessa material, elektroner följer ett linjärt spridningsförhållande från de lägsta energierna. Det är, laddningsbärarna beter sig som elektriskt laddade fotoner. Dessa partiklar kan ses som analoga med Dirac-elektronen och positronen, förutom att deras massa närmar sig noll.

Forskarna har visat att trots nollmassan, Skruvkombination är fortfarande förbjuden i Weyl -halvmetaller. Att förutse invändningen att en spridningsrelation i en verklig kristall aldrig är strikt linjär, teamet fortsatte med att beräkna sannolikheten för "resterande" Auger-rekombination på grund av avvikelser från den linjära lagen. Denna sannolikhet, som beror på elektronkoncentrationen, kan nå värden cirka 10, 000 gånger lägre än i de för närvarande använda halvledarna. Med andra ord, beräkningarna tyder på att Diracs koncept är ganska troget återgivet i Weyl -halvmetaller.

"Vi var medvetna om den bittra erfarenheten av våra föregångare som hoppades kunna återge Diracs spridningsförhållande i riktiga kristaller till punkt och pricka, ", förklarade Svintsov. "Det är därför vi gjorde vårt bästa för att identifiera alla möjliga kryphål för potentiell Auger-rekombination i Weyl-halvmetaller. Till exempel, i en verklig Weyl -halvmetall, det finns flera typer av elektroner, långsamma och snabba. Medan en långsammare elektron och ett långsammare hål kan kollapsa, de snabbare kan hämta energi. Som sagt, vi räknade ut att oddsen för att det ska hända är låg. "

Teamet mätte livslängden för ett elektronhålspar i en Weyl-halvmetal till cirka 10 nanosekunder. Den tidsperioden ser extremt liten ut enligt vardagliga mått, men för laserfysik, den är enorm. I konventionella material som används inom laserteknik inom det avlägsna infraröda området, livslängden för elektroner och hål är tusentals gånger kortare. Att förlänga livslängden för obalanselektroner och hål i nya material öppnar möjligheter att använda dem i nya typer av långvågslasrar.