Российские физики подобрали идеальный материал для создания лазеров

Физики из МФТИ и Института Иоффе теоретически доказали, что так называемые полуметаллы Вейля, своеобразные трехмерные аналоги графена, будут идеально подходить для создания мощных лазеров. Их выводы были представлены в журнале Physical Review B.

"В 1970 годы надежды возлагались на соли свинца, на рубеже веков — на графен. Однако и здесь, и там вскрывались отклонения свойств частиц в полупроводниках от предсказаний теории Дирака. Мы показали, что в вейлевских полуметаллах аналогия с электронами и позитронами Дирака реализуется наиболее полно", — рассказывает Дмитрий Свинцов из Московского Физтеха в Долгопрудном, чьи слова передает пресс-служба вуза.

Все полупроводниковые материалы содержат в себе некоторое количество свободных носителей заряда – электронов, и их виртуальных антиподов, так называемых "дырок", областей пространства, заряженных положительно. И электроны, и дырки могут мигрировать по материалу, сталкиваться друг с другом и взаимодействовать иными путями.

Эти взаимодействия, как сейчас считают физики, очень похожи на то, что происходит при столкновении материи и антиматерии. К примеру, сближение дырки и электрона приводит к их взаимному "уничтожению" и высвобождению энергии, как при аннигиляции частиц, что сегодня используется в работе полупроводниковых лазеров и многих других приборов.

Помимо простой аннигиляции, есть и другой вариант "самоуничтожения" пар дырок и электронов, открытый еще в 1923 году известным французским физиком Пьером Оже. Он заметил, что этот процесс может привести не к рождению вспышки света, а разгону другой частицы, проходившей неподалеку от места столкновения позитрона и электрона.

Этот феномен, получивший имя эффект Оже, сегодня считается главной причиной того, почему светодиоды и полупроводниковые лазеры резко теряют эффективность при повышении силы тока. Год назад Свинцов и его коллеги выяснили, почему подобные процессы происходят внутри графена, абсолютно плоского материала, где они считались раньше невозможными.

Получив объяснение тому, почему сверхмощные графеновые лазеры так и не появились на свет, ученые из Физтеха задумались над тем, как будут вести себя трехмерные аналоги этого материала, так называемые полуметаллы Вейля.

В 1929 году немецкий математик Герман Вейль изучал свежие на тот момент уравнения, выведенные Полем Дираком для описания манеры движений и поведения электрона, позитрона и других жителей микромира, ведущих себя одновременно как волна и частица.

Вейль обнаружил, что данные формулы допускают существование крайне экзотических частиц, не обладающих массой и движущихся со скоростью света по особым законам, не совместимым с физикой того времени. После того, как физики начали всерьез воспринимать расчеты Вейля, они долгое время считали, что подобными частицами являются нейтрино, которые до экспериментов конца прошлого века считались безмассовыми.

Лишь недавно ученые нашли аналоги этих частиц внутри особых материалов, которые называются "вейлевскими полуметаллами". По своей сути эти материалы представляют собой трехмерные аналоги графена, электроны в которых, как и в самом "нобелевском углероде", ведут себя как фермионы Вейля – они не обладают массой, но имеют заряд.

"Мы знакомы с горьким опытом предшественников, которые надеялись на точное воспроизведение закона дисперсии, предсказанного Дираком, в реальных кристаллах. Поэтому и сделали все возможное, чтобы выявить возможные лазейки для эффекта Оже в полуметаллах Вейля. Такие лазейки имеются, однако эта возможность, по нашим расчетам, является маловероятной", — продолжает Свинцов.

Как показали расчеты российских физиков и опыты на полуметалле из таллия и мышьяка, эффект Оже в подобных трехмерных аналогах графена будет "геометрически" подавляться благодаря тому, как на поведение заряженных частиц будут влиять законы сохранения энергии и импульса.

При этом пары из дырок и электронов в подобных материалах будут жить необычно долго, в тысячи раз превосходя этот параметр для существующих полупроводниковых лазеров. По словам физиков, их поведение будет почти идеально соответствовать теории Дирака, что открывает перспективы для их использования в новых типах длинноволновых лазеров.