Fysikere foreslår perfekt materiale til lasere

Weylhalvmetaller er en nyligt opdaget klasse af materialer, hvor ladningsbærere opfører sig som elektroner og positroner gør i partikelacceleratorer. Forskere fra Moskva Institut for Fysik og Teknologi og Ioffe Institut i Skt. Petersborg har vist, at disse materialer repræsenterer perfekte gevinstmedier til lasere. Forskningsresultaterne blev offentliggjort i Fysisk gennemgang B .

Det 21. århundredes fysik er præget af søgen efter fænomener fra grundlæggende partikels verden i bordplader. I nogle krystaller, elektroner bevæger sig som højenergipartikler i acceleratorer. I andre, partikler har endda egenskaber, der ligner noget sorte huller.

MIPT-fysikere har vendt denne søgning ud og ind, beviser, at reaktioner forbudt for elementarpartikler også kan være forbudt i de krystallinske materialer kendt som Weyl -halvmetaller. Specifikt, dette gælder den forbudte reaktion ved gensidig partikel-antipartikeludslettelse uden lysemission. Denne egenskab antyder, at et Weyl -halvmetal kunne være det perfekte forstærkningsmedium for lasere.

I en halvlederlaser, stråling skyldes den gensidige tilintetgørelse af elektroner og de positive ladningsbærere, der kaldes huller. Imidlertid, lysemission er kun et muligt resultat af en elektron-hul-par-kollision. Alternativt kan energien kan opbygge svingninger af atomer i nærheden eller varme de nærliggende elektroner. Sidstnævnte proces kaldes Auger rekombination, til ære for den franske fysiker Pierre Auger.

Sneglrekombination begrænser effektiviteten af ​​moderne lasere i det synlige og infrarøde område, og undergraver alvorligt terahertz -lasere. Det æder elektronhulspar, der ellers kunne have produceret stråling. I øvrigt, denne proces varmer enheden op.

I næsten et århundrede, forskere har søgt et "undermateriale", hvor strålingsrekombination dominerer over sneglrekombination. Denne søgning blev styret af en idé formuleret i 1928 af Paul Dirac. Han udviklede en teori om, at elektronen, som allerede var opdaget, havde en positivt ladet tvillingpartikel, positronen. Fire år senere, forudsigelsen blev bevist eksperimentelt. I Diracs beregninger, en gensidig tilintetgørelse af en elektron og positron producerer altid lys og kan ikke give energi til andre elektroner. Derfor blev søgen efter et vidundermateriale til brug i lasere stort set set som en søgning efter analoger af Dirac -elektronen og positronen i halvledere.

"I 1970'erne, håbene var stort set forbundet med blysalte, og i 2000'erne - med grafen, "siger Dmitry Svintsov, leder af laboratoriet for 2-D-materialer til optoelektronik på MIPT. "Men partiklerne i disse materialer udviste afvigelser fra Diracs koncept. Grafenkassen viste sig ganske patologisk, fordi begrænsning af elektroner og huller til to dimensioner faktisk giver anledning til sneglrekombination. I 2-D verden, der er lidt plads til partikler for at undgå kollisioner. "

"Vores seneste papir viser, at Weyl -halvmetaller er det tætteste, vi er kommet på at realisere en analogi med Diracs elektroner og positroner, "tilføjede Svintsov, hvem var hovedforsker i den rapporterede undersøgelse.

Elektroner og huller i en halvleder har de samme elektriske ladninger som Diracs partikler. Men det kræver mere end det at fjerne Auger -rekombination. Laseringeniører søger den slags partikler, der matcher Diracs teori med hensyn til deres spredningsrelationer. Sidstnævnte binder partikels kinetiske energi til dets momentum. Denne ligning koder for alle oplysninger om partikelens bevægelse og de reaktioner, den kan undergå.

I klassisk mekanik, genstande såsom sten, planeter, eller rumskibe følger en kvadratisk dispersionsligning. Det er, fordobling af momentum resulterer i en firdobling af kinetisk energi. I konventionelle halvledere - silicium, germanium, eller galliumarsenid - dispersionsforholdet er også kvadratisk. For fotoner, lysets kvante, dispersionsforholdet er lineært. En af konsekvenserne er, at en foton altid bevæger sig med netop lysets hastighed.

Elektronerne og positronerne i Diracs teori indtager en mellemvej mellem sten og fotoner:ved lave energier, deres spredningsforhold er kvadratisk, men ved højere energier bliver det lineært. Indtil for nylig, selvom, det tog en partikelaccelerator at "katapultere" en elektron i den lineære sektion af dispersionsforholdet.

Nogle nyopdagede materialer kan tjene som "lommeacceleratorer" for ladede partikler. Blandt dem er "blyantspidsacceleratoren-grafen og dets tredimensionelle analoger, kendt som Weyl semimetaller:tantal arsenid, niobiumphosphat, molybdæn tellurid. I disse materialer, elektroner adlyder et lineært dispersionsforhold med udgangspunkt i de laveste energier. Det er, ladningsbærerne opfører sig som elektrisk ladede fotoner. Disse partikler kan ses som analoge med Dirac -elektronen og positronen, bortset fra at deres masse nærmer sig nul.

Forskerne har vist, at på trods af nulmassen, Skruekombination er stadig forbudt i Weyl -halvmetaller. Forudsigelse af indsigelsen om, at et spredningsforhold i en faktisk krystal aldrig er strengt lineært, holdet fortsatte med at beregne sandsynligheden for "resterende" sneglrekombination på grund af afvigelser fra den lineære lov. Denne sandsynlighed, som afhænger af elektronkoncentration, kan nå værdier omkring 10, 000 gange lavere end i de i øjeblikket anvendte halvledere. Med andre ord, beregningerne tyder på, at Diracs koncept er ret trofast gengivet i Weyl -halvmetaller.

"Vi var klar over den bitre oplevelse af vores forgængere, der håbede at gengive Diracs spredningsforhold i ægte krystaller til punkt og prikke, "Svintsov forklarede." Derfor gjorde vi vores bedste for at identificere alle mulige smuthuller for mulig sneglrekombination i Weyl -halvmetaller. For eksempel, i en egentlig Weyl -halvmetal, der findes flere slags elektroner, langsomme og hurtige. Mens en langsommere elektron og et langsommere hul kan kollapse, de hurtigere kan hente energi. Det sagt, vi regnede med, at oddsene for, at det sker, er lave. "

Holdet målte levetiden for et elektronhullepar i et Weyl-halvmetal til at være omkring 10 nanosekunder. Denne tidsperiode ser ekstremt lille ud i dagligdagen, men for laserfysik, den er enorm. I konventionelle materialer, der anvendes i laserteknologi i det fjerne infrarøde område, levetiden for elektroner og huller er tusinder af gange kortere. Forlængelse af levetid for ikke-ligevægtselektroner og huller i nye materialer åbner muligheder for at bruge dem i nye typer langbølgelængde-lasere.