p Os semimetais de Weyl são uma classe recentemente descoberta de materiais nos quais os portadores de carga se comportam da mesma forma que os elétrons e os pósitrons nos aceleradores de partículas. Pesquisadores do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou e do Instituto Ioffe em São Petersburgo mostraram que esses materiais representam meios de ganho perfeitos para lasers. Os resultados da pesquisa foram publicados em Revisão Física B . p A física do século 21 é marcada pela busca de fenômenos do mundo das partículas fundamentais em materiais de mesa. Em alguns cristais, os elétrons se movem como partículas de alta energia em aceleradores. Em outros, as partículas até têm propriedades um tanto semelhantes às da matéria dos buracos negros.

p Os físicos do MIPT viraram essa pesquisa do avesso, provando que reações proibidas para partículas elementares também podem ser proibidas nos materiais cristalinos conhecidos como semimetais de Weyl. Especificamente, isso se aplica à reação proibida de aniquilação mútua partícula-antipartícula sem emissão de luz. Esta propriedade sugere que um semimetal de Weyl pode ser o meio de ganho perfeito para lasers.

p Em um laser semicondutor, a radiação resulta da aniquilação mútua de elétrons e dos portadores de carga positiva chamados buracos. Contudo, a emissão de luz é apenas um resultado possível da colisão de um par elétron-buraco. Alternativamente, a energia pode aumentar as oscilações dos átomos próximos ou aquecer os elétrons vizinhos. O último processo é chamado de recombinação Auger, em homenagem ao físico francês Pierre Auger.

p A recombinação Auger limita a eficiência dos lasers modernos na faixa do visível e infravermelho, e prejudica gravemente os lasers terahertz. Ele devora pares de elétron-buraco que, de outra forma, poderiam ter produzido radiação. Além disso, este processo aquece o dispositivo.

p Por quase um século, pesquisadores buscaram um "material maravilhoso" no qual a recombinação radiativa domina a recombinação Auger. Essa busca foi orientada por uma ideia formulada em 1928 por Paul Dirac. Ele desenvolveu uma teoria de que o elétron, que já havia sido descoberto, tinha uma partícula gêmea carregada positivamente, o pósitron. Quatro anos depois, a previsão foi comprovada experimentalmente. Nos cálculos de Dirac, a aniquilação mútua de um elétron e pósitron sempre produz luz e não pode transmitir energia a outros elétrons. É por isso que a busca por um material maravilhoso para ser usado em lasers foi amplamente vista como uma busca por análogos do elétron de Dirac e do pósitron em semicondutores.

p "Na década de 1970, as esperanças estavam amplamente associadas aos sais de chumbo, e na década de 2000 - com grafeno, "diz Dmitry Svintsov, o chefe do Laboratório de Materiais 2-D para Optoeletrônica do MIPT. "Mas as partículas nesses materiais exibiam desvios do conceito de Dirac. O caso do grafeno se mostrou bastante patológico, porque confinar elétrons e lacunas em duas dimensões realmente dá origem à recombinação Auger. No mundo 2-D, há pouco espaço para as partículas evitarem colisões. "

p "Nosso último artigo mostra que os semimetais de Weyl são o mais perto que chegamos de realizar uma analogia com os elétrons e pósitrons de Dirac, "acrescentou Svintsov, quem foi o investigador principal no estudo relatado.

p Elétrons e buracos em um semicondutor têm as mesmas cargas elétricas que as partículas de Dirac. Mas é preciso mais do que isso para eliminar a recombinação Auger. Os engenheiros de laser procuram o tipo de partículas que se igualem à teoria de Dirac em termos de suas relações de dispersão. O último vincula a energia cinética da partícula ao seu momento. Essa equação codifica todas as informações sobre o movimento da partícula e as reações que ela pode sofrer.

p Na mecânica clássica, objetos como rochas, planetas, ou espaçonaves seguem uma equação de dispersão quadrática. Isso é, dobrar o momento resulta em um aumento de quatro vezes na energia cinética. Em semicondutores convencionais - silício, germânio, ou arsenieto de gálio - a relação de dispersão também é quadrática. Para fótons, os quanta de luz, a relação de dispersão é linear. Uma das consequências é que um fóton sempre se move precisamente na velocidade da luz.

p Os elétrons e pósitrons na teoria de Dirac ocupam um meio-termo entre as rochas e os fótons:em baixas energias, sua relação de dispersão é quadrática, mas em energias mais altas torna-se linear. Até recentemente, no entanto, foi necessário um acelerador de partículas para "catapultar" um elétron para a seção linear da relação de dispersão.

p Alguns materiais recém-descobertos podem servir como "aceleradores de bolso" para partículas carregadas. Entre eles estão o "acelerador de ponta de lápis - grafeno e seus análogos tridimensionais, conhecido como semimetais de Weyl:arsenieto de tântalo, fosfato de nióbio, telureto de molibdênio. Nestes materiais, os elétrons obedecem a uma relação de dispersão linear a partir das energias mais baixas. Isso é, os portadores de carga se comportam como fótons eletricamente carregados. Essas partículas podem ser vistas como análogas ao elétron e pósitron de Dirac, exceto que sua massa se aproxima de zero.

p Os pesquisadores mostraram que, apesar da massa zero, A recombinação Auger ainda permanece proibida em semimetais de Weyl. Prevendo a objeção de que uma relação de dispersão em um cristal real nunca é estritamente linear, a equipe passou a calcular a probabilidade de recombinação Auger "residual" devido a desvios da lei linear. Esta probabilidade, que depende da concentração de elétrons, pode atingir valores em torno de 10, 000 vezes menor do que nos semicondutores usados ​​atualmente. Em outras palavras, os cálculos sugerem que o conceito de Dirac é bastante fielmente reproduzido nos semimetais de Weyl.

p "Estávamos cientes da amarga experiência de nossos antecessores, que esperavam reproduzir a relação de dispersão de Dirac em cristais reais ao pé da letra, "Svintsov explicou." É por isso que fizemos o nosso melhor para identificar todas as brechas possíveis para recombinação Auger potencial em semimetais de Weyl. Por exemplo, em um semimetal Weyl real, existem vários tipos de elétrons, lentos e rápidos. Enquanto um elétron mais lento e um buraco mais lento podem entrar em colapso, os mais rápidos podem captar energia. Dito isto, calculamos que as chances de isso acontecer são baixas. "

p A equipe mediu a vida útil de um par elétron-buraco em um semimetal de Weyl em cerca de 10 nanossegundos. Esse intervalo de tempo parece extremamente pequeno para os padrões do dia a dia, mas para física de laser, é enorme. Em materiais convencionais usados ​​na tecnologia de laser da faixa do infravermelho distante, a vida útil dos elétrons e buracos é milhares de vezes mais curta. Estender a vida útil de elétrons de não-equilíbrio e lacunas em novos materiais abre perspectivas para usá-los em novos tipos de lasers de comprimento de onda longo.