Los semimetales de Weyl son una clase de materiales recientemente descubierta en la que los portadores de carga se comportan como lo hacen los electrones y los positrones en los aceleradores de partículas. Investigadores del Instituto de Física y Tecnología de Moscú y del Instituto Ioffe en San Petersburgo han demostrado que estos materiales representan medios de ganancia perfectos para los láseres. Los resultados de la investigación se publicaron en Revisión física B .

La física del siglo XXI está marcada por la búsqueda de fenómenos del mundo de las partículas fundamentales en los materiales de sobremesa. En algunos cristales los electrones se mueven como partículas de alta energía en aceleradores. En otros, las partículas incluso tienen propiedades algo similares a la materia de los agujeros negros.

Los físicos del MIPT han invertido esta búsqueda, demostrando que las reacciones prohibidas para partículas elementales también pueden estar prohibidas en los materiales cristalinos conocidos como semimetales de Weyl. Específicamente, esto se aplica a la reacción prohibida de aniquilación mutua partícula-antipartícula sin emisión de luz. Esta propiedad sugiere que un semimetal de Weyl podría ser el medio de ganancia perfecto para los láseres.

En un láser semiconductor, la radiación resulta de la aniquilación mutua de electrones y los portadores de carga positiva llamados huecos. Sin embargo, La emisión de luz es solo uno de los posibles resultados de una colisión de pares de electrones y huecos. Alternativamente, la energía puede acumular las oscilaciones de los átomos cercanos o calentar los electrones vecinos. El último proceso se llama recombinación Auger, en honor al físico francés Pierre Auger.

La recombinación Auger limita la eficiencia de los láseres modernos en el rango visible e infrarrojo, y socava gravemente los láseres de terahercios. Se come los pares de agujeros de electrones que, de otro modo, podrían haber producido radiación. Es más, este proceso calienta el dispositivo.

Durante casi un siglo, Los investigadores han buscado un "material maravilloso" en el que la recombinación radiativa domina sobre la recombinación Auger. Esta búsqueda fue guiada por una idea formulada en 1928 por Paul Dirac. Desarrolló una teoría de que el electrón, que ya había sido descubierto, tenía una partícula gemela cargada positivamente, el positrón. Cuatro años después, la predicción fue probada experimentalmente. En los cálculos de Dirac, una aniquilación mutua de un electrón y un positrón siempre produce luz y no puede impartir energía a otros electrones. Esta es la razón por la que la búsqueda de un material maravilloso para usar en láseres se consideró en gran medida como una búsqueda de análogos del electrón y el positrón de Dirac en semiconductores.

"En los 1970s, las esperanzas se asociaron en gran medida con las sales de plomo, y en la década de 2000, con grafeno, "dice Dmitry Svintsov, el jefe del Laboratorio de Materiales 2-D para Optoelectrónica en MIPT. "Pero las partículas en estos materiales exhibieron desviaciones del concepto de Dirac. El caso del grafeno demostró ser bastante patológico, porque confinar electrones y huecos a dos dimensiones da lugar a la recombinación Auger. En el mundo 2-D, hay poco espacio para que las partículas eviten colisiones ".

"Nuestro último artículo muestra que los semimetales de Weyl son lo más cerca que hemos estado de realizar una analogía con los electrones y positrones de Dirac, "añadió Svintsov, quien fue el investigador principal en el estudio informado.

Los electrones y los huecos de un semiconductor tienen las mismas cargas eléctricas que las partículas de Dirac. Pero se necesita más que eso para eliminar la recombinación Auger. Los ingenieros de láser buscan el tipo de partículas que se ajusten a la teoría de Dirac en términos de sus relaciones de dispersión. Este último liga la energía cinética de la partícula a su momento. Esa ecuación codifica toda la información sobre el movimiento de las partículas y las reacciones que pueden sufrir.

En la mecánica clásica, objetos como rocas, planetas o las naves espaciales siguen una ecuación de dispersión cuadrática. Es decir, la duplicación del impulso da como resultado un aumento de cuatro veces en la energía cinética. En semiconductores convencionales, silicio, germanio, o arseniuro de galio:la relación de dispersión también es cuadrática. Para fotones, los cuantos de luz, la relación de dispersión es lineal. Una de las consecuencias es que un fotón siempre se mueve exactamente a la velocidad de la luz.

Los electrones y positrones en la teoría de Dirac ocupan un término medio entre las rocas y los fotones:a bajas energías, su relación de dispersión es cuadrática, pero a energías superiores se vuelve lineal. Hasta hace poco, aunque, se necesitó un acelerador de partículas para "catapultar" un electrón a la sección lineal de la relación de dispersión.

Algunos materiales recién descubiertos pueden servir como "aceleradores de bolsillo" para partículas cargadas. Entre ellos se encuentran el "acelerador de punta de lápiz:el grafeno y sus análogos tridimensionales, conocidos como semimetales de Weyl:arseniuro de tantalio, fosfato de niobio, telururo de molibdeno. En estos materiales, los electrones obedecen a una relación de dispersión lineal a partir de las energías más bajas. Es decir, los portadores de carga se comportan como fotones cargados eléctricamente. Estas partículas pueden considerarse análogas al electrón y al positrón de Dirac, excepto que su masa se aproxima a cero.

Los investigadores han demostrado que a pesar de la masa cero, La recombinación de barrena sigue estando prohibida en los semimetales de Weyl. Previendo la objeción de que una relación de dispersión en un cristal real nunca es estrictamente lineal, el equipo pasó a calcular la probabilidad de recombinación "residual" de Auger debido a desviaciones de la ley lineal. Esta probabilidad, que depende de la concentración de electrones, puede alcanzar valores de unos 10, 000 veces menor que en los semiconductores utilizados actualmente. En otras palabras, los cálculos sugieren que el concepto de Dirac se reproduce con bastante fidelidad en semimetales de Weyl.

"Éramos conscientes de la amarga experiencia de nuestros predecesores que esperaban reproducir al pie de la letra la relación de dispersión de Dirac en cristales reales, "Svintsov explicó." Es por eso que hicimos nuestro mejor esfuerzo para identificar cada posible laguna para la posible recombinación Auger en semimetales de Weyl. Por ejemplo, en un semimetal Weyl real, existen varios tipos de electrones, lentos y rápidos. Mientras que un electrón más lento y un agujero más lento pueden colapsar, los más rápidos pueden tomar energía. Dicho eso calculamos que las probabilidades de que eso suceda son bajas ".

El equipo calculó la vida útil de un par de electrones y agujeros en un semimetal de Weyl en unos 10 nanosegundos. Ese lapso de tiempo parece extremadamente pequeño para los estándares cotidianos, pero para la física del láser, es enorme. En materiales convencionales utilizados en tecnología láser del rango infrarrojo lejano, la vida de los electrones y los huecos es miles de veces más corta. La prolongación de la vida útil de los electrones en desequilibrio y los huecos en materiales novedosos abre perspectivas para su uso en nuevos tipos de láseres de longitud de onda larga.