Weyl-halfmetalen zijn een recent ontdekte klasse van materialen waarin ladingsdragers zich gedragen zoals elektronen en positronen dat doen in deeltjesversnellers. Onderzoekers van het Moscow Institute of Physics and Technology en het Ioffe Institute in St. Petersburg hebben aangetoond dat deze materialen perfecte versterkingsmedia voor lasers vertegenwoordigen. De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in Fysieke beoordeling B .

De natuurkunde van de 21e eeuw wordt gekenmerkt door de zoektocht naar verschijnselen uit de wereld van fundamentele deeltjes in tafelbladmaterialen. In sommige kristallen, elektronen bewegen als hoogenergetische deeltjes in versnellers. In andere, deeltjes hebben zelfs eigenschappen die enigszins lijken op die van zwart gat.

MIPT-fysici hebben deze zoektocht binnenstebuiten gekeerd, bewijzen dat reacties die voor elementaire deeltjes verboden zijn, ook verboden kunnen worden in de kristallijne materialen die bekend staan ​​als Weyl-halfmetalen. specifiek, dit geldt voor de verboden reactie van onderlinge deeltje-antideeltje annihilatie zonder lichtemissie. Deze eigenschap suggereert dat een Weyl-halfmetaal het perfecte versterkingsmedium voor lasers zou kunnen zijn.

In een halfgeleiderlaser, straling is het gevolg van de wederzijdse vernietiging van elektronen en de positieve ladingsdragers die gaten worden genoemd. Echter, lichtemissie is slechts één mogelijke uitkomst van een botsing van een elektron-gatpaar. Alternatief, de energie kan de oscillaties van atomen in de buurt opbouwen of de naburige elektronen verwarmen. Het laatste proces wordt Auger-recombinatie genoemd, ter ere van de Franse natuurkundige Pierre Auger.

Auger-recombinatie beperkt de efficiëntie van moderne lasers in het zichtbare en infrarode bereik, en ondermijnt ernstig terahertz-lasers. Het eet elektronen-gatparen op die anders straling zouden hebben geproduceerd. Bovendien, dit proces verwarmt het apparaat.

Bijna een eeuw lang, onderzoekers hebben gezocht naar een "wondermateriaal" waarin stralingsrecombinatie domineert over Auger-recombinatie. Deze zoektocht werd geleid door een idee dat in 1928 werd geformuleerd door Paul Dirac. Hij ontwikkelde een theorie dat het elektron, die al was ontdekt, had een positief geladen tweelingdeeltje, het positron. Vier jaar later, de voorspelling werd experimenteel bewezen. In de berekeningen van Dirac, een wederzijdse vernietiging van een elektron en positron produceert altijd licht en kan geen energie aan andere elektronen geven. Daarom werd de zoektocht naar een wondermateriaal voor gebruik in lasers grotendeels gezien als een zoektocht naar analogen van het Dirac-elektron en positron in halfgeleiders.

"In de jaren zeventig, de hoop werd grotendeels geassocieerd met loodzouten, en in de jaren 2000 - met grafeen, " zegt Dmitry Svintsov, het hoofd van het Laboratorium voor 2-D Materialen voor Opto-elektronica bij MIPT. "Maar de deeltjes in deze materialen vertoonden afwijkingen van Dirac's concept. Het grafeengeval bleek behoorlijk pathologisch, omdat het beperken van elektronen en gaten tot twee dimensies in feite aanleiding geeft tot Auger-recombinatie. In de 2D-wereld er is weinig ruimte voor deeltjes om botsingen te voorkomen."

"Ons laatste artikel laat zien dat Weyl-halfmetalen het dichtst in de buurt komen bij het realiseren van een analogie met Dirac's elektronen en positronen, " voegde Svintsov eraan toe, wie de hoofdonderzoeker was in het gerapporteerde onderzoek.

Elektronen en gaten in een halfgeleider hebben dezelfde elektrische lading als de deeltjes van Dirac. Maar er is meer nodig om Auger-recombinatie te elimineren. Laseringenieurs zoeken naar het soort deeltjes dat overeenkomt met de theorie van Dirac wat betreft hun dispersierelaties. De laatste binden de kinetische energie van het deeltje aan zijn momentum. Die vergelijking codeert alle informatie over de beweging van het deeltje en de reacties die het kan ondergaan.

In de klassieke mechanica, voorwerpen zoals stenen, planeten, of ruimteschepen volgen een kwadratische dispersievergelijking. Dat is, verdubbeling van het momentum resulteert in een viervoudige toename van de kinetische energie. In conventionele halfgeleiders-silicium, germanium, of galliumarsenide - de dispersierelatie is ook kwadratisch. voor fotonen, de quanta van licht, de spreidingsrelatie is lineair. Een van de gevolgen is dat een foton altijd precies met de lichtsnelheid beweegt.

De elektronen en positronen in de theorie van Dirac nemen een middenweg in tussen rotsen en fotonen:bij lage energieën, hun spreidingsrelatie is kwadratisch, maar bij hogere energieën wordt het lineair. Tot voor kort, Hoewel, er was een deeltjesversneller voor nodig om een ​​elektron in de lineaire sectie van de dispersierelatie te "katapulteren".

Sommige nieuw ontdekte materialen kunnen dienen als "zakversnellers" voor geladen deeltjes. Onder hen zijn de "potloodpuntversneller - grafeen en zijn driedimensionale analogen, bekend als Weyl-halfmetalen:tantaalarsenide, niobiumfosfaat, molybdeentelluride. Bij deze materialen elektronen gehoorzamen aan een lineaire dispersierelatie vanaf de laagste energieën. Dat is, de ladingsdragers gedragen zich als elektrisch geladen fotonen. Deze deeltjes kunnen worden gezien als analoog aan het Dirac-elektron en positron, behalve dat hun massa nul nadert.

De onderzoekers hebben aangetoond dat ondanks de massa nul, Auger-recombinatie blijft nog steeds verboden in Weyl-halfmetalen. Gezien het bezwaar dat een dispersierelatie in een echt kristal nooit strikt lineair is, het team ging verder met het berekenen van de waarschijnlijkheid van "resterende" Auger-recombinatie als gevolg van afwijkingen van de lineaire wet. Deze kans, die afhangt van de elektronenconcentratie, kan waarden bereiken van ongeveer 10, 000 keer lager dan in de huidige halfgeleiders. Met andere woorden, de berekeningen suggereren dat het concept van Dirac vrij getrouw wordt weergegeven in Weyl-halfmetalen.

"We waren ons bewust van de bittere ervaring van onze voorgangers die hoopten de dispersierelatie van Dirac in echte kristallen naar de letter te reproduceren, " legde Svintsov uit. "Daarom hebben we ons best gedaan om elke mogelijke maas in de wet voor mogelijke Auger-recombinatie in Weyl-halfmetalen te identificeren. Bijvoorbeeld, in een echt Weyl-halfmetaal, er bestaan ​​verschillende soorten elektronen, langzame en snelle. Terwijl een langzamer elektron en een langzamer gat kunnen instorten, de snellere kunnen energie oppikken. Dat gezegd hebbende, we hebben berekend dat de kans dat dat gebeurt klein is."

Het team schatte de levensduur van een elektron-gatpaar in een Weyl-halfmetaal op ongeveer 10 nanoseconden. Die tijdspanne lijkt extreem klein naar alledaagse maatstaven, maar voor laserfysica, het is gigantisch. In conventionele materialen die worden gebruikt in lasertechnologie van het verre infraroodbereik, de levensduur van elektronen en gaten is duizenden keren korter. Het verlengen van de levensduur van niet-evenwichtselektronen en gaten in nieuwe materialen opent perspectieven voor het gebruik ervan in nieuwe soorten lasers met lange golflengte.