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Weyl半金属 —— 一种“完美”的激光增益介质

2019-12-04

  Weyl半金属是最近发现的一类材料,其中载流子的行为与电子和正电子在粒子加速器中的作用方式相同

  来自俄罗斯莫斯科物理技术学院(Moscow Institute of Physics and Technology,MIPT)和圣彼得堡Ioffe Institute的研究人员表示,这些材料代表了激光器的完美增益介质。研究结果发表在Physical Review B上。

  21世纪物理学的标志是从基本粒子世界中搜索现象。在一些晶体中,电子像加速器中的高能粒子一样移动。在其他情况中,粒子甚至具有与黑洞物质有些相似的特性。MIPT的物理学家已经从内到外进行了这种搜索,证明了基本粒子的禁阻反应在称为Weyl半金属的晶态材料中也是禁止的。具体而言,这适用于没有光发射的粒子-反粒子相互湮灭的禁阻反应。这个特性表明Weyl半金属可能是激光器的理想增益介质。

  在半导体激光器中,辐射是由电子和称为空穴的正电荷载流子的相互湮灭产生的。然而,光发射只是电子-空穴对碰撞的一种可能结果。或者,能量可以建立附近原子的振荡或加热相邻电子。后一个过程被称为俄歇重组,以纪念法国物理学家皮埃尔·俄歇(Pierre Auger)。俄歇重组限制了当代激光器在可见光和红外区域的效率,并严重损害太赫兹激光器。它会吞噬可能产生辐射的电子-空穴对。此外,这个过程会使设备发热。

  将近一个世纪以来,研究人员一直在寻求一种“奇迹材料”,其中辐射复合超过俄歇复合占主导地位。这一搜寻是由Paul Dirac在1928年提出的一个想法引导的。他发展了一种理论,电子有带正电的孪生粒子,即正电子。四年后,这个预测得到实验证明。在Dirac的计算中,电子和正电子的相互湮灭总是产生光,并且不能将能量传递给其他电子。这就是为什么寻找用于激光器的奇迹材料,在很大程度上被视为寻找半导体中狄拉克电子和正电子的类似物。

  “在20世纪70年代,希望主要与铅盐相关,而在2000年代,希望则与石墨烯相关。”MIPT光电子二维材料实验室负责人Dmitry Svintsov说,“但这些材料中颗粒的表现与狄拉克概念存在偏差。石墨烯的情况证明是非常病态的,因为将电子和空穴限制在二维,实际上会引起俄歇复合。在二维世界中,颗粒几乎没有空间来避免碰撞。我们最新的论文表明,Weyl半金属是我们最接近实现与狄拉克电子和正电子的类比。”Svintsov补充说,他是该研究报告的首席研究员。

  该团队测得Weyl半金属中电子-空穴对的寿命约为10ns。根据日常标准,这个时间跨度看起来非常小,但对于激光物理学来说,它是巨大的。在远红外波段激光技术中使用的常规材料中,电子和空穴的寿命比它小数千倍。延长新材料中非平衡电子和空穴的寿命,为在新型长波激光器中使用它们提供了前景。

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