Уведомления
Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь, чтобы оценивать материалы, создавать записи и писать комментарии.
Авторизуясь, вы соглашаетесь с правилами пользования сайтом и даете согласие на обработку персональных данных.
Идеальный лазерный материал прошел проверку
Недавно были обнаружены материалы, названные Вейлевскими полуметаллами, в которых носители заряда ведут себя подобно электронам и позитронам в ускорителях заряженных частиц. Ученые из МФТИ и Института Иоффе теоретически доказали, что эти материалы — идеальные усиливающие среды для лазеров.
Работа опубликована в журнале Physical Review B.
Начало XXI века в физике — зачастую поиск явлений из мира элементарных частиц в подручных материалах. Электроны в некоторых кристаллах по своим свойствам будто разогнаны до околосветовых скоростей, как в ускорителях частиц, а в других они и вовсе могут напоминать по свойствам материю черных дыр.
Физики из МФТИ вывернули этот поиск наизнанку и доказали, что запрещенные реакции для элементарных частиц могут оставаться запрещенными и в кристаллических материалах — Вейлевских полуметаллах. Конкретно речь идет о реакции взаимного уничтожении частиц и античастиц без излучения света. Благодаря этому запрету Вейлевский полуметалл может оказаться идеальной усиливающей средой для лазера.
В полупроводниковом лазере излучение возникает при взаимном уничтожении электронов и положительно заряженных частиц — так называемых дырок. Однако излучение света при встрече электрона и дырки не является единственно возможным исходом.
Так, пара может отдать свою энергию на раскачку колебаний атомов или на нагрев остальных электронов. Последний процесс называется Оже-рекомбинацией (в честь французского физика Пьера Оже). Именно он ограничивает эффективность существующих лазеров видимого и инфракрасного диапазона и делает практически невозможным создание лазеров терагерцевого диапазона.
Действительно, Оже-рекомбинация «съедает» электрон-дырочные пары, которые иначе могли бы породить свет, к тому же она сильно греет полупроводник.
Поиск «волшебного материала», в котором Оже-рекомбинация идет медленно по сравнению с излучательной рекомбинацией, не прекращается на протяжении уже почти сотни лет. Путеводной в этом поиске является идея, высказанная Полем Дираком в 1928 году.
Он разработал теорию, которая предсказывала, помимо уже известного к тому времени электрона, существование его положительно заряженного двойника — позитрона, открытого всего четыре года спустя.
Согласно расчетам Дирака, взаимное уничтожение электрона и позитрона возможно только с испусканием света, но не с передачей энергии другим электронам. Именно поэтому поиск «волшебного лазерного материала» сводился в значительной степени к поиску аналогов дираковских электрона и позитрона в полупроводниках.
«В 1970-е годы надежды возлагались на соли свинца, в 2000-е — на графен. Однако и здесь, и там вскрывались отклонения свойств частиц в полупроводниках от идеи Дирака. Особенно нетривиальным оказался случай графена, где сжатие электронов и дырок в двумерную плоскость открывает возможность Оже-рекомбинации.
В двумерном мире частицам слишком тесно, сложно избежать столкновения. В своей работе мы показываем, что в Вейлевских полуметаллах аналогия с электронами и позитронами Дирака реализуется наиболее полно», — говорит руководитель исследования, заведующий лабораторией оптоэлектроники двумерных материалов Дмитрий Свинцов.
Электрон и дырка в полупроводнике и правда похожи на электрон и позитрон из теории Дирака, хотя бы знаками заряда. Но этого недостаточно для запрещения Оже-рекомбинации. Необходимо, чтобы законы дисперсии электрона и дырки в полупроводнике совпали с таковыми для частиц Дирака.
Закон дисперсии — это зависимость кинетической энергией частицы от ее импульса. Она кодирует всю информацию о движении частиц и реакциях, в которые они могут вступать.
Для всех объектов в классической механике — камней, планет, космических кораблей — закон дисперсии является квадратичным. То есть увеличение импульса в два раза требует четырехкратного увеличения энергии.
Таким же закон дисперсии является в «обычных» полупроводниках — кремнии, германии, арсениде галлия. А вот для фотонов — переносчиков света — закон дисперсии является линейным. Отсюда сразу следует, что все фотоны движутся с одной скоростью — скоростью света.
Электроны и позитроны в теории Дирака объединяют свойства камней и фотонов: при малых энергиях их закон дисперсии квадратичен, а при больших — линеен. Однако «забросить» электрон на линейный участок закона дисперсии можно было только в ускорителе заряженных частиц.
Недавно были обнаружены материалы, которые можно образно назвать «карманными ускорителями» заряженных частиц. К ним относят графен — «ускоритель на кончике карандаша» и его трехмерные аналоги — полуметаллы Вейля (арсенид тантала, фосфид ниобия, теллурид молибдена).
В них закон дисперсии электронов и дырок является линейным уже начиная с бесконечно малых энергий. То есть переносчики тока ведут себя подобно фотонам с электрическим зарядом. Эти частицы также можно считать аналогами электрона и позитрона в теории Дирака, однако их масса стремится к нулю.
Авторы работы доказали, что запрет Оже-рекомбинации будет работать в полуметаллах Вейля, даже несмотря на нулевую массу частиц. Предвидя возражения о том, что закон дисперсии в реальных кристаллах всегда имеет более сложную форму, авторы пошли дальше и рассчитали вероятность «остаточной Оже-рекомбинации», появляющейся из-за отклонений закона дисперсии от линейного.
В зависимости от концентрации электронов эта вероятность, как оказалось, может быть на четыре порядка медленнее, чем в известных полупроводниковых материалах. То есть идея Дирака, по их расчетам, в этих материалах действительно работает с высокой точностью.
«Мы знакомы с горьким опытом предшественников, которые надеялись на точное воспроизведение закона дисперсии, предсказанного Дираком, в реальных кристаллах. Поэтому и сделали все возможное, чтобы выявить вероятные лазейки для Оже-процесса в этих новых материалах, полуметаллах Вейля.
Такие лазейки имеются — например, в реальном материале существует несколько „сортов“ электронов, которые отличаются скоростями. Медленные электрон и дырка могут сгорать, а быстрые — подхватывать энергию. Однако эта возможность, по нашим расчетам, является маловероятной», — добавляет Дмитрий Свинцов.
Получающееся время жизни электрон-дырочной пары оказалось около десятка наносекунд. В бытовом понимании это очень мало, но для лазерной физики — огромная величина. В привычных материалах, используемых в лазерных технологиях дальнего инфракрасного диапазона, электроны и дырки живут в тысячи раз меньше.
Возможность существенного продления времени жизни неравновесных электронов и дырок в новых материалах открывает перспективы для их использования в новых типах длинноволновых лазеров.
Telegram 
Дзен 
VK Образцы грунта, взятые астронавтами полвека назад, вложили еще один важный кирпич в здание научной картины мира: гипотеза о том, что Земля исходно была сухой, не стыкуется с фактами. Похоже, идею о невозможности сохранения большого количества воды на «теплых» планетах придется пересмотреть.
Кэтлин Рубинс выступила перед комитетом Национальных академий США и рассказала, что не так с новыми скафандрами для близкой высадки американцев на Луне. Учитывая ее 300-дневный опыт пребывания в космосе, критика выглядит довольно обоснованной. В прошлом году Рубинс ушла с поста руководителя отделения внекорабельной деятельности отдела астронавтов, где она участвовала в разработке новых лунных скафандров.
Ученый из НИУ ВШЭ в Нижнем Новгороде и ИППИ РАН Иван Ремизов совершил концептуальный прорыв в теории дифференциальных уравнений. Ему удалось вывести универсальную формулу для решения задач, которые более 190 лет считались нерешаемыми аналитическим путем. Полученный результат радикально меняет картину мира в одной из старейших областей математики, важной для фундаментальной физики и экономики.
Образцы грунта, взятые астронавтами полвека назад, вложили еще один важный кирпич в здание научной картины мира: гипотеза о том, что Земля исходно была сухой, не стыкуется с фактами. Похоже, идею о невозможности сохранения большого количества воды на «теплых» планетах придется пересмотреть.
В зоопарках звери доживают до старости и выбывают из программ глобального сохранения видов, потому что не могут размножаться. Это ставит под угрозу усилия по поддержанию популяций редких видов.
Вопреки множеству оценок из СМИ, самый крупный остров мира небогат полезными ископаемыми, но и никак не «бесполезный кусок льда». Открытия датских ученых последних лет показывают, что ценность этого куска суши намного выше, чем можно было подумать еще в 2010-х. Так зачем на самом деле он нужен Трампу и может ли его отъем разрушить НАТО, как на это надеются некоторые в России?
От рыб произошли все наземные позвоночные, включая нас, но как именно рыбы стали главным населением морей — до последнего времени оставалось неясным. Авторы новой научной работы попытались доказать, что причиной этого было вымирание, возможно, вызванное белыми ночами.
Хотя зоологи уже не раз наблюдали использование орудий у относительно близких к людям видов, — от приматов до свиней — коровы до сих пор не были за этим замечены. Теперь ситуация изменилась: оказалось, что они могут использовать многоцелевые орудия по-разному, в зависимости от обстоятельств.
Образцы грунта, взятые астронавтами полвека назад, вложили еще один важный кирпич в здание научной картины мира: гипотеза о том, что Земля исходно была сухой, не стыкуется с фактами. Похоже, идею о невозможности сохранения большого количества воды на «теплых» планетах придется пересмотреть.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно