I semimetalli Weyl sono una classe di materiali scoperta di recente in cui i portatori di carica si comportano come gli elettroni ei positroni si comportano negli acceleratori di particelle. I ricercatori dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca e dell'Istituto Ioffe di San Pietroburgo hanno dimostrato che questi materiali rappresentano mezzi di guadagno perfetti per i laser. I risultati della ricerca sono stati pubblicati in Revisione fisica B .

La fisica del 21° secolo è caratterizzata dalla ricerca di fenomeni dal mondo delle particelle fondamentali nei materiali da tavolo. In alcuni cristalli, gli elettroni si muovono come particelle ad alta energia negli acceleratori. In altri, le particelle hanno anche proprietà in qualche modo simili alla materia dei buchi neri.

I fisici del MIPT hanno capovolto questa ricerca, dimostrando che reazioni vietate per le particelle elementari possono essere vietate anche nei materiali cristallini noti come semimetalli di Weyl. Nello specifico, questo vale per la reazione proibita di mutua annichilazione particella-antiparticella senza emissione di luce. Questa proprietà suggerisce che un semimetallo Weyl potrebbe essere il mezzo di guadagno perfetto per i laser.

In un laser a semiconduttore, la radiazione deriva dall'annichilazione reciproca degli elettroni e dei portatori di carica positivi chiamati buchi. Però, l'emissione di luce è solo uno dei possibili risultati di una collisione di coppie elettrone-lacuna. In alternativa, l'energia può accumulare le oscillazioni degli atomi vicini o riscaldare gli elettroni vicini. Quest'ultimo processo è chiamato ricombinazione Auger, in onore del fisico francese Pierre Auger.

La ricombinazione a coclea limita l'efficienza dei laser moderni nel campo del visibile e dell'infrarosso, e mina gravemente i laser terahertz. Divora coppie elettrone-lacuna che altrimenti avrebbero prodotto radiazioni. Inoltre, questo processo riscalda il dispositivo.

Per quasi un secolo, i ricercatori hanno cercato un "materiale meraviglioso" in cui la ricombinazione radiativa domina sulla ricombinazione Auger. Questa ricerca è stata guidata da un'idea formulata nel 1928 da Paul Dirac. Ha sviluppato una teoria che l'elettrone, che era già stato scoperto, aveva una particella gemella carica positivamente, il positrone. Quattro anni dopo, la previsione è stata dimostrata sperimentalmente. Nei calcoli di Dirac, un reciproco annientamento di un elettrone e di un positrone produce sempre luce e non può impartire energia ad altri elettroni. Questo è il motivo per cui la ricerca di un materiale meraviglioso da utilizzare nei laser è stata in gran parte vista come una ricerca di analoghi dell'elettrone di Dirac e del positrone nei semiconduttori.

"Negli anni Settanta, le speranze erano in gran parte associate ai sali di piombo, e negli anni 2000, con il grafene, "dice Dmitry Svintsov, il capo del Laboratorio di Materiali 2-D per Optoelettronica al MIPT. "Ma le particelle in questi materiali hanno mostrato deviazioni dal concetto di Dirac. Il caso del grafene si è rivelato piuttosto patologico, perché confinare elettroni e lacune a due dimensioni dà effettivamente luogo alla ricombinazione Auger. Nel mondo 2-D, c'è poco spazio per le particelle per evitare collisioni."

"Il nostro ultimo articolo mostra che i semimetalli Weyl sono i più vicini che siamo riusciti a realizzare un'analogia con gli elettroni e i positroni di Dirac, " ha aggiunto Svintsov, chi era il ricercatore principale nello studio riportato.

Gli elettroni e le lacune in un semiconduttore hanno le stesse cariche elettriche delle particelle di Dirac. Ma ci vuole altro per eliminare la ricombinazione Auger. Gli ingegneri laser cercano il tipo di particelle che corrisponda alla teoria di Dirac in termini di relazioni di dispersione. Quest'ultima lega l'energia cinetica della particella alla sua quantità di moto. Quell'equazione codifica tutte le informazioni sul moto della particella e le reazioni che può subire.

Nella meccanica classica, oggetti come rocce, pianeti, o le astronavi seguono un'equazione di dispersione quadratica. Questo è, il raddoppio della quantità di moto si traduce in un aumento di quattro volte dell'energia cinetica. Nei semiconduttori convenzionali, silicio, germanio, o arseniuro di gallio:anche la relazione di dispersione è quadratica. Per i fotoni, i quanti di luce, la relazione di dispersione è lineare. Una delle conseguenze è che un fotone si muove sempre esattamente alla velocità della luce.

Gli elettroni e i positroni nella teoria di Dirac occupano una via di mezzo tra rocce e fotoni:a basse energie, la loro relazione di dispersione è quadratica, ma a energie più elevate diventa lineare. Fino a poco tempo fa, anche se, ci voleva un acceleratore di particelle per "catapultare" un elettrone nella sezione lineare della relazione di dispersione.

Alcuni materiali scoperti di recente possono fungere da "acceleratori tascabili" per le particelle cariche. Tra questi ci sono "l'acceleratore a punta di matita:il grafene e i suoi analoghi tridimensionali, noti come semimetalli di Weyl:arseniuro di tantalio, niobio fosfato, tellururo di molibdeno. In questi materiali, gli elettroni obbediscono ad una relazione di dispersione lineare a partire dalle energie più basse. Questo è, i portatori di carica si comportano come fotoni caricati elettricamente. Queste particelle possono essere viste come analoghe all'elettrone e al positrone di Dirac, tranne che la loro massa tende a zero.

I ricercatori hanno dimostrato che nonostante la massa zero, La ricombinazione a coclea rimane ancora vietata nei semimetalli Weyl. Prevedendo l'obiezione che una relazione di dispersione in un vero cristallo non è mai strettamente lineare, il team ha continuato a calcolare la probabilità di ricombinazione Auger "residua" a causa di deviazioni dalla legge lineare. Questa probabilità, che dipende dalla concentrazione di elettroni, può raggiungere valori di circa 10, 000 volte inferiore rispetto ai semiconduttori attualmente utilizzati. In altre parole, i calcoli suggeriscono che il concetto di Dirac è riprodotto abbastanza fedelmente nei semimetalli Weyl.

"Eravamo consapevoli dell'amara esperienza dei nostri predecessori che speravano di riprodurre alla lettera la relazione di dispersione di Dirac in veri cristalli, Svintsov ha spiegato. "Ecco perché abbiamo fatto del nostro meglio per identificare ogni possibile scappatoia per la potenziale ricombinazione Auger nei semimetalli Weyl. Per esempio, in un vero semimetallo Weyl, esistono diversi tipi di elettroni, quelli lenti e veloci. Mentre un elettrone più lento e un buco più lento possono collassare, quelli più veloci possono raccogliere energia. Detto ciò, abbiamo calcolato che le probabilità che ciò accada sono basse."

Il team ha calcolato che la durata di una coppia elettrone-lacuna in un semimetallo Weyl è di circa 10 nanosecondi. Quel lasso di tempo sembra estremamente piccolo per gli standard di tutti i giorni, ma per la fisica del laser, è enorme. Nei materiali convenzionali utilizzati nella tecnologia laser della gamma del lontano infrarosso, le vite degli elettroni e delle lacune sono migliaia di volte più brevi. L'estensione della durata degli elettroni di non equilibrio e delle lacune in nuovi materiali apre prospettive per il loro utilizzo in nuovi tipi di laser a lunga lunghezza d'onda.