Les semi-métaux de Weyl sont une classe de matériaux récemment découverte dans laquelle les porteurs de charge se comportent comme les électrons et les positons le font dans les accélérateurs de particules. Des chercheurs de l'Institut de physique et de technologie de Moscou et de l'Institut Ioffe de Saint-Pétersbourg ont montré que ces matériaux représentent des milieux de gain parfaits pour les lasers. Les résultats de la recherche ont été publiés dans Examen physique B .

La physique du XXIe siècle est marquée par la recherche de phénomènes issus du monde des particules fondamentales dans les matériaux de table. Dans certains cristaux, les électrons se déplacent sous forme de particules à haute énergie dans les accélérateurs. Chez les autres, les particules ont même des propriétés quelque peu similaires à la matière des trous noirs.

Les physiciens du MIPT ont renversé cette recherche, prouver que des réactions interdites pour les particules élémentaires peuvent également être interdites dans les matériaux cristallins appelés semi-métaux de Weyl. Spécifiquement, ceci s'applique à la réaction interdite d'annihilation mutuelle particule-antiparticule sans émission de lumière. Cette propriété suggère qu'un semi-métal Weyl pourrait être le milieu de gain parfait pour les lasers.

Dans un laser à semi-conducteur, le rayonnement résulte de l'annihilation mutuelle des électrons et des porteurs de charge positifs appelés trous. Cependant, l'émission de lumière n'est qu'un résultat possible d'une collision de paires électron-trou. Alternativement, l'énergie peut accumuler les oscillations des atomes à proximité ou chauffer les électrons voisins. Ce dernier processus est appelé recombinaison Auger, en l'honneur du physicien français Pierre Auger.

La recombinaison à vis limite l'efficacité des lasers modernes dans le domaine visible et infrarouge, et sape gravement les lasers térahertz. Il dévore les paires électron-trou qui auraient pu autrement produire un rayonnement. De plus, ce processus chauffe l'appareil.

Depuis près d'un siècle, les chercheurs ont recherché un "matériau miracle" dans lequel la recombinaison radiative domine la recombinaison Auger. Cette recherche a été guidée par une idée formulée en 1928 par Paul Dirac. Il a développé une théorie selon laquelle l'électron, qui avait déjà été découvert, avait une particule jumelle chargée positivement, le positron. Quatre ans plus tard, la prédiction a été prouvée expérimentalement. Dans les calculs de Dirac, une annihilation mutuelle d'un électron et d'un positon produit toujours de la lumière et ne peut pas transmettre d'énergie aux autres électrons. C'est pourquoi la quête d'un matériau miracle à utiliser dans les lasers a été largement considérée comme une recherche d'analogues de l'électron et du positon de Dirac dans les semi-conducteurs.

« Dans les années 1970, les espoirs étaient largement associés aux sels de plomb, et dans les années 2000, avec le graphène, " dit Dmitri Svintsov, le responsable du Laboratoire des Matériaux 2D pour l'Optoélectronique au MIPT. "Mais les particules dans ces matériaux présentaient des écarts par rapport au concept de Dirac. Le cas du graphène s'est avéré assez pathologique, car le confinement des électrons et des trous à deux dimensions donne en fait lieu à une recombinaison Auger. Dans le monde 2D, il y a peu d'espace pour que les particules évitent les collisions."

"Notre dernier article montre que les semi-métaux de Weyl sont les plus proches que nous ayons obtenus pour réaliser une analogie avec les électrons et les positons de Dirac, " a ajouté Svintsov, qui était le chercheur principal dans l'étude rapportée.

Les électrons et les trous d'un semi-conducteur ont les mêmes charges électriques que les particules de Dirac. Mais il en faut plus pour éliminer la recombinaison Auger. Les ingénieurs laser recherchent le type de particules qui correspondrait à la théorie de Dirac en termes de relations de dispersion. Ces derniers lient l'énergie cinétique de la particule à sa quantité de mouvement. Cette équation code toutes les informations sur le mouvement de la particule et les réactions qu'elle peut subir.

En mécanique classique, des objets tels que des pierres, planètes, ou les vaisseaux spatiaux suivent une équation de dispersion quadratique. C'est-à-dire, le doublement de la quantité de mouvement entraîne une multiplication par quatre de l'énergie cinétique. Dans les semi-conducteurs conventionnels - silicium, germanium, ou l'arséniure de gallium - la relation de dispersion est également quadratique. Pour les photons, les quanta de lumière, la relation de dispersion est linéaire. L'une des conséquences est qu'un photon se déplace toujours précisément à la vitesse de la lumière.

Les électrons et les positons de la théorie de Dirac occupent un juste milieu entre les roches et les photons :aux basses énergies, leur relation de dispersion est quadratique, mais à des énergies plus élevées, il devient linéaire. Jusque récemment, bien que, il a fallu un accélérateur de particules pour "catapulter" un électron dans la section linéaire de la relation de dispersion.

Certains matériaux nouvellement découverts peuvent servir d'« accélérateurs de poche » pour les particules chargées. Parmi eux se trouvent « l'accélérateur à pointe de crayon—le graphène et ses analogues tridimensionnels, dits semi-métaux de Weyl :arséniure de tantale, phosphate de niobium, tellurure de molybdène. Dans ces matériaux, les électrons obéissent à une relation de dispersion linéaire à partir des énergies les plus basses. C'est-à-dire, les porteurs de charge se comportent comme des photons chargés électriquement. Ces particules peuvent être considérées comme analogues à l'électron et au positron de Dirac, sauf que leur masse approche de zéro.

Les chercheurs ont montré que malgré la masse nulle, La recombinaison à la tarière reste toujours interdite dans les semi-métaux de Weyl. Prévoyant l'objection qu'une relation de dispersion dans un cristal réel n'est jamais strictement linéaire, l'équipe a ensuite calculé la probabilité de recombinaison Auger "résiduelle" due à des écarts par rapport à la loi linéaire. Cette probabilité, qui dépend de la concentration électronique, peut atteindre des valeurs d'environ 10, 000 fois moins que dans les semi-conducteurs actuellement utilisés. En d'autres termes, les calculs suggèrent que le concept de Dirac est assez fidèlement reproduit dans les semi-métaux de Weyl.

"Nous connaissions l'amère expérience de nos prédécesseurs qui espéraient reproduire à la lettre la relation de dispersion de Dirac dans de vrais cristaux, " a expliqué Svintsov. " C'est pourquoi nous avons fait de notre mieux pour identifier toutes les failles possibles pour une potentielle recombinaison Auger dans les semi-métaux de Weyl. Par exemple, dans un véritable semi-métal Weyl, il existe plusieurs sortes d'électrons, lents et rapides. Alors qu'un électron plus lent et un trou plus lent peuvent s'effondrer, les plus rapides peuvent récupérer de l'énergie. Cela dit, nous avons calculé que les chances que cela se produise sont faibles."

L'équipe a évalué la durée de vie d'une paire électron-trou dans un semi-métal de Weyl à environ 10 nanosecondes. Ce laps de temps semble extrêmement court par rapport aux normes de tous les jours, mais pour la physique laser, c'est énorme. Dans les matériaux conventionnels utilisés dans la technologie laser de la gamme infrarouge lointain, les durées de vie des électrons et des trous sont des milliers de fois plus courtes. L'allongement de la durée de vie des électrons et des trous hors d'équilibre dans de nouveaux matériaux ouvre des perspectives pour leur utilisation dans de nouveaux types de lasers à grande longueur d'onde.