Weyl半金屬是最近發(fā)現(xiàn)的一類材料，其中電荷載體的行為與電子和正電子在粒子加速器中的作用方式相同。來自莫斯科物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院和圣彼得堡Ioffe研究所的研究人員表明，這些材料代表了激光器的完美增益介質(zhì)。研究結(jié)果發(fā)表在Physical Review 上。

21世紀(jì)物理學(xué)的特點(diǎn)是尋找桌面材料中基本粒子世界的現(xiàn)象。在一些晶體中，電子作為加速器中的高能粒子移動(dòng)。在其他情況下，顆粒甚至具有與黑洞物質(zhì)有些相似的特性。

MIPT物理學(xué)家已經(jīng)從內(nèi)到外進(jìn)行了這種搜索，證明了在稱為Weyl半金屬的結(jié)晶材料中也禁止禁止基本粒子的反應(yīng)。具體而言，這適用于沒有發(fā)光的相互粒子 - 反粒子湮滅的禁止反應(yīng)。這個(gè)特性表明Weyl半金屬可能是激光器的理想增益介質(zhì)。

在半導(dǎo)體激光器中，輻射是由電子的相互湮滅和稱為空穴的正電荷載流子產(chǎn)生的。然而，光發(fā)射只是電子 - 空穴對碰撞的一種可能結(jié)果�；蛘�，能量可以建立附近原子的振蕩或加熱相鄰電子。后一種過程稱為俄歇重組，以紀(jì)念法國物理學(xué)家皮埃爾奧格。

俄歇重組限制了現(xiàn)代激光在可見光和紅外范圍內(nèi)的效率，并嚴(yán)重破壞了太赫茲激光。它會(huì)吞噬可能產(chǎn)生輻射的電子 - 空穴對。此外，該過程會(huì)加熱設(shè)備。

近一個(gè)世紀(jì)以來，研究人員一直尋求一種“奇跡材料”，其中輻射復(fù)合在俄歇復(fù)合中占主導(dǎo)地位。這一搜索是由Paul Dirac于1928年提出的一個(gè)想法引導(dǎo)的。他發(fā)展了一種理論，即已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的電子具有帶正電荷的孿晶粒子正電子。四年后，通過實(shí)驗(yàn)證明了這一預(yù)測。在狄拉克的計(jì)算中，電子和正電子的相互湮滅總是產(chǎn)生光并且不能將能量傳遞給其他電子。這就是為什么在激光器中使用奇跡材料的目的主要被視為尋找半導(dǎo)體中Dirac電子和正電子的類似物。

“在20世紀(jì)70年代，希望主要與鉛鹽有關(guān)，并且在2000年代與石墨烯有關(guān)，”MIPT光電子二維材料實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人Dmitry Svintsov說。“但這些材料中的顆粒表現(xiàn)出與狄拉克概念的偏差。石墨烯的情況證明是非常病態(tài)的，因?yàn)閷㈦娮雍涂昭ㄏ拗圃趦蓚�(gè)維度實(shí)際上會(huì)引起俄歇復(fù)合。在二維世界中，幾乎沒有空間可以避免顆粒碰撞“。

“我們的最新論文表明，Weyl半金屬是我們最接近實(shí)現(xiàn)與狄拉克的電子和正電子的類比，”Svintsov補(bǔ)充說，他是該研究報(bào)告的首席研究員。

半導(dǎo)體中的電子和空穴確實(shí)具有與狄拉克粒子相同的電荷。但消除俄歇重組需要的不止于此。激光工程師在它們的色散關(guān)系方面尋找與狄拉克理論相匹配的粒子。后者將粒子的動(dòng)能與其動(dòng)量聯(lián)系起來。該等式編碼有關(guān)粒子運(yùn)動(dòng)及其可以經(jīng)歷的反應(yīng)的所有信息。

在經(jīng)典力學(xué)中，諸如巖石，行星或宇宙飛船之類的物體遵循二次色散方程。也就是說，動(dòng)量加倍會(huì)導(dǎo)致動(dòng)能增加四倍。在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體中 - 硅，鍺或砷化鎵 - 色散關(guān)系也是二次的。對于光子，光的量子，色散關(guān)系是線性的。其中一個(gè)后果是光子總是以精確的光速移動(dòng)。

狄拉克理論中的電子和正電子占據(jù)了巖石和光子之間的中間地帶：在低能量下，它們的色散關(guān)系是二次的，但是在更高的能量下它變成線性的。然而，直到最近，還需要一個(gè)粒子加速器將電子“彈射”到色散關(guān)系的線性部分。

一些新發(fā)現(xiàn)的材料可以作為帶電粒子的“口袋加速器”。其中包括“鉛筆加速器 - 石墨烯及其三維類似物，稱為Weyl半金屬：砷化鉭，磷酸鈮，碲化鉬。在這些材料中，電子遵循從最低能量開始的線性色散關(guān)系。電荷載體的行為類似于帶電的光子。這些粒子可以看作與狄拉克電子和正電子類似，只是它們的質(zhì)量接近于零。

研究人員已經(jīng)證明，盡管質(zhì)量為零，但在Weyl半金屬中仍然禁止俄歇重組。預(yù)見到實(shí)際晶體中的色散關(guān)系絕不是嚴(yán)格線性的反對意見，團(tuán)隊(duì)繼續(xù)計(jì)算由于偏離線性定律而導(dǎo)致的“殘余”俄歇復(fù)合的概率。這種取決于電子濃度的概率可以達(dá)到比目前使用的半導(dǎo)體低約10,000倍的值。換句話說，計(jì)算表明狄拉克的概念在Weyl半金屬中相當(dāng)忠實(shí)地再現(xiàn)。

Svintsov解釋說：“我們已經(jīng)意識(shí)到我們前輩的痛苦經(jīng)歷，他們希望在真正的水晶中重現(xiàn)狄拉克的色散關(guān)系。” “這就是為什么我們盡最大努力找出Weyl半金屬中潛在的俄歇重組的每一個(gè)可能的漏洞。例如，在實(shí)際的Weyl半金屬中，存在幾種電子，慢速和快速的電子。而電子較慢和孔較慢可能崩潰，速度更快的人可以獲得能量。也就是說，我們計(jì)算出發(fā)生這種情況的幾率很低。“

該團(tuán)隊(duì)測量了Weyl半金屬中電子 - 空穴對的壽命約為10納秒。根據(jù)日常標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)時(shí)間跨度看起來非常小，但對于激光物理學(xué)來說，它是巨大的。在遠(yuǎn)紅外范圍的激光技術(shù)中使用的常規(guī)材料中，電子和空穴的壽命縮短了數(shù)千倍。延長新材料中非平衡電子和空穴的壽命，為在新型長波激光器中使用它們提供了前景。