Текст уведомления здесь
Полупроводниковые лазеры с различной длиной волны彭嘉傑 / wikimedia commons / CC SA 2.5

Российские физики вычислили идеальный материал для полупроводниковых лазеров

Этим материалом оказались вейлевские полуметаллы

Ученые из МФТИ и Института имени Иоффе доказали, что недавно открытые материалы, известные как вейлевскими полуметаллы, — идеальные усиливающие среды для лазеров, в которых носители заряда ведут себя подобно электронам и позитронам в ускорителях заряженных частиц.
Добавить в закладки
Комментарии

В полупроводниковом лазере излучение возникает при взаимном уничтожении электронов и положительно заряженных квазичастиц, так называемых дырок. Дырка — это место в кристаллической решетке материала, где должен быть электрон с его отрицательным зарядом, но почему-либо электрон был оттуда «выбит». Когда электрон и дырка сливаются (рекомбинация), в норме излучается один фотон. Однако излучение фотона при встрече электрона и дырки не является единственно возможным исходом. Это событие может отдать свою энергию и на усиление колебаний атомов кристаллической решетки или повышение энергии соседних электронов в той же решетке.

Последний процесс называется Оже-рекомбинацией (в честь французского физика Пьера Оже). Именно он ограничивает эффективность существующих лазеров видимого и инфракрасного диапазонов и делает практически невозможным создание лазеров терагерцового диапазона: фотоны с такой длиной волны, что соответствует терагерцовому излучению в лазере, просто не возникают, поскольку нужное для их образования сочетание параметров кончается лишь передачей энергии соседним электронам, а не испусканием фотона. К тому же она сильно греет полупроводник, что «роняет» его характеристики.

Естественно, это привело к поиску материала, в котором Оже-рекомбинация идет медленно. У электрона есть античастица — позитрон. Взаимная аннигиляция электрона и позитрона возможна только с испусканием света, но никак не с передачей энергии другим электронам (то есть Оже-рекомбинация для них не работает). Поэтому многие исследователи вели поиск аналогов пары «электрон-позитрон» (также называемой дираковской парой, поскольку теорию электрона и его античастицу предсказал Поль Дирак) для полупроводников.

Авторы новой работы попробовали понять, насколько можно ожидать наличия подобных объектов в вейлевских полуметаллах. Для этого они искали материалы, в которых закон дисперсии для электронов и дырок был бы такой же, как у пары «электрон-позитрон». Закон дисперсии описывает зависимость кинетической энергии частицы от ее импульса и тем самым ограничивает процессы, в которые она может включиться. Обычно в физике закон дисперсии квадратичен: увеличение импульса в два раза повышает энергию объекта в четыре раза, втрое — в девять раз и так далее. Точно так же закон дисперсии работает и в обычных полупроводниках — кремнии, германии, арсениде галлия. Но вот для фотонов, из которых состоит свет, закон дисперсии линеен, все фотоны движутся с одинаковой скоростью — скоростью света в той или иной среде. Электроны и позитроны в теории Дирака объединяют свойства обычных частиц и фотонов. На малых энергиях их закон дисперсии квадратичен, а на больших — линеен. Но нужные для этого энергии весьма велики, и в норме без ускорителя заряженных частиц их не получить.

В последние годы были открыты материалы, в которых скорость электронов необычайно велика, до десятков тысяч километров в секунду, — например, графен. Последний, однако, не годится как материал без Оже-рекомбинации для лазеров, поскольку в двумерном материале вероятность столкновения электронов и дырок очень велика — им трудно разминуться из-за двумерности. В то же время были обнаружены трехмерные аналоги графена, лишенные этой проблемы, — полуметаллы Вейля. В частности, это арсенид тантала, фосфид ниобия, теллурид молибдена. В них закон дисперсии электронов и дырок является линейным, уже начиная с бесконечно малых энергий, то есть практически всегда. По сути, электроны там ведут себя подобно фотонам, только с электрическим зарядом. Эту пару частиц также можно считать аналогом пары электрона и позитрона в теории Дирака, однако их масса стремится к нулю (дырка собственной массы не имеет).

Исследователи смогли теоретически доказать, что запрет Оже-рекомбинации будет исполняться в полуметаллах Вейля, даже несмотря на нулевую массу частиц. Чтобы окончательно прояснить вопрос, авторы пошли дальше и рассчитали вероятность остаточной Оже-рекомбинации — такой, которая может возникнуть из-за отклонений закона дисперсии от линейного (в реальных кристаллах законы дисперсии периодически испытывают слабые отклонения). И хотя такая остаточная рекомбинация оказалась возможна, вероятность ее может быть на четыре порядка меньше (примерно 10 000 раз), чем в известных полупроводниковых материалах.

Получающееся время жизни рекомбинирующей электрон-дырочной пары в вейлевских полуметаллах оказалось около десятка наносекунд — для лазерной физики это огромная величина. На сегодня подобные пары в полупроводниковых лазерах ИК-диапазона живут в тысячи раз меньше по времени. Получается, что на новых материалах можно будет создать лазеры, излучающие с большой длиной волны, быть может, даже близкие к терагерцовому диапазону, особо перспективному для получения медицинских снимков, поиска взрывчатки и целого ряда других практических приложений.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы