由电子和空穴的相互湮灭产生的光发射是半导体激光器的工作原理

　　Weyl半金属是最近发现的一类材料，其中电荷载体的行为与电子和正电子在粒子加速器中的作用方式相同。来自莫斯科物理科学与技术学院和圣彼得堡Ioffe研究所的研究人员表明，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 上。

　　21世纪物理学的特点是寻找桌面材料中基本粒子世界的现象。在一些晶体中，电子作为加速器中的高能粒子移动。在其他情况下，颗粒甚至具有与黑洞物质有些相似的特性。

　　MIPT物理学家已经从内到外进行了这种搜索，证明了在称为Weyl半金属的结晶材料中也禁止禁止基本粒子的反应。具体而言，这适用于没有发光的相互粒子 - 反粒子湮灭的禁止反应。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，辐射是由电子的相互湮灭和称为空穴的正电荷载流子产生的。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。后一种过程称为俄歇重组，以纪念法国物理学家皮埃尔奥格。

　　俄歇重组限制了现代激光在可见光和红外范围内的效率，并严重破坏了太赫兹激光。它会吞噬可能产生辐射的电子 - 空穴对。此外，该过程会加热设备。

　　近一个世纪以来，研究人员一直寻求一种“奇迹材料”，其中辐射复合在俄歇复合中占主导地位。这一搜索是由Paul Dirac于1928年提出的一个想法引导的。他发展了一种理论，即已经发现的电子具有带正电荷的孪晶粒子正电子。四年后，通过实验证明了这一预测。在狄拉克的计算中，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。这就是为什么在激光器中使用奇迹材料的目的主要被视为寻找半导体中Dirac电子和正电子的类似物。

　　“在20世纪70年代，希望主要与铅盐有关，并且在2000年代与石墨烯有关，”MIPT光电子二维材料实验室负责人Dmitry Svintsov说。“但这些材料中的颗粒表现出与狄拉克概念的偏差。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两个维度实际上会引起俄歇复合。在二维世界中，几乎没有空间可以避免颗粒碰撞“。

　　“我们的最新论文表明，Weyl半金属是我们最接近实现与狄拉克的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。

　　半导体中的电子和空穴确实具有与狄拉克粒子相同的电荷。但消除俄歇重组需要的不止于此。激光工程师在它们的色散关系方面寻找与狄拉克理论相匹配的粒子。后者将粒子的动能与其动量联系起来。该等式编码有关粒子运动及其可以经历的反应的所有信息。

　　在经典力学中，诸如岩石，行星或宇宙飞船之类的物体遵循二次色散方程。也就是说，动量加倍会导致动能增加四倍。在传统的半导体中 - 硅，锗或砷化镓 - 色散关系也是二次的。对于光子，光的量子，色散关系是线性的。其中一个后果是光子总是以精确的光速移动。

　　狄拉克理论中的电子和正电子占据了岩石和光子之间的中间地带：在低能量下，它们的色散关系是二次的，但是在更高的能量下它变成线性的。然而，直到最近，还需要一个粒子加速器将电子“弹射”到色散关系的线性部分。

　　一些新发现的材料可以作为带电粒子的“口袋加速器”。其中包括“铅笔加速器 - 石墨烯及其三维类似物，称为Weyl半金属：砷化钽，磷酸铌，碲化钼。在这些材料中，电子遵循从最低能量开始的线性色散关系。电荷载体的行为类似于带电的光子。这些粒子可以看作与狄拉克电子和正电子类似，只是它们的质量接近于零。

　　研究人员已经证明，尽管质量为零，但在Weyl半金属中仍然禁止俄歇重组。预见到实际晶体中的色散关系绝不是严格线性的反对意见，团队继续计算由于偏离线性定律而导致的“残余”俄歇复合的概率。这种取决于电子浓度的概率可以达到比目前使用的半导体低约10,000倍的值。换句话说，计算表明狄拉克的概念在Weyl半金属中相当忠实地再现。

　　Svintsov解释说：“我们已经意识到我们前辈的痛苦经历，他们希望在真正的水晶中重现狄拉克的色散关系。” “这就是为什么我们尽最大努力找出Weyl半金属中潜在的俄歇重组的每一个可能的漏洞。例如，在实际的Weyl半金属中，存在几种电子，慢速和快速的电子。而电子较慢和孔较慢可能崩溃，速度更快的人可以获得能量。也就是说，我们计算出发生这种情况的几率很低。“

　　该团队测量了Weyl半金属中电子 - 空穴对的寿命约为10纳秒。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。在远红外范围的激光技术中使用的常规材料中，电子和空穴的寿命缩短了数千倍。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。