Recientemente fueron descubiertos unos materiales, llamados metaloides de Weyl, en los que los portadores de carga se comportan como los electrones y positrones en los aceleradores de partículas cargadas. Los científicos del Instituto de Física y Tecnología (IFTM) y del Instituto Ioffe, ambas entidades en Rusia, demostraron teóricamente que estos materiales sirven de medios intensificadores ideales para los láseres. El trabajo fue publicado en la revista Physical Review B.

El principio del siglo XXI para la física representa, en muchos casos, la búsqueda de fenómenos del mundo de las partículas fundamentales en los materiales disponibles. Los electrones en algunos cristales según sus características parecen ser acelerados hasta alcanzar velocidades próximas a las de la luz, como en el acelerador de partículas, en otros cristales los electrones pueden parecerse por sus características a la materia de los agujeros negros. Los especialistas en física del IFTM revolvieron la búsqueda de dentro para fuera y demostraron que las reacciones prohibidas para las partículas fundamentales pueden mantenerse prohibidas también en los materiales cristalinos: los metaloides de Weyl. En concreto, se trata de una reacción de aniquilación recíproca de partículas y anti-partículas sin emisión de luz. Gracias a esta prohibición, el metaloide de Weyl puede convertirse en un medio intensificador, ideal para el láser.

En el láser semiconductor la emisión de luz tiene lugar durante la aniquilación recíproca de los electrones y de las partículas cargadas positivamente, denominadas huecos. Pero la emisión de luz en el momento de encuentro del electrón y del hueco no será la única alternativa posible. Así, este par puede transmitir su energía para generar las oscilaciones de los átomos o para calentar de los electrones restantes. Este último proceso es conocido como la recombinación de Auger (en honor al físico francés Pierre Auger). Es precisamente este proceso el que limita la efectividad de los láseres existentes del rango de luz visible e infrarroja, y hace prácticamente imposible la creación de láseres del rango de terahercios. Efectivamente, la recombinación de Auger «se come» los pares de electrones y huecos que de otra manera habrían podido generar luz, y además calienta mucho el semiconductor.

La búsqueda del «material mágico» en el que la recombinación de Auger es lenta en comparación con la recombinación de radiación, no se ha detenido durante casi cien años. La idea enunciada por Paul Dirac en el año 1928 es considerada referencial en esta búsqueda. Paul Dirac desarrolló una teoría en la que, además del electrón, ya conocido para aquel entonces, predecía la existencia de su doble cargado positivamente: el positrón descubierto sólo 4 años después. Según los cálculos de Dirac la aniquilación recíproca del electrón y del positrón era posible sólo con emisión de luz pero no con la transmisión de la energía a otros electrones. Es por eso que la búsqueda del «material de láser mágico» se limitó en gran medida a la búsqueda de análogos del electrón y del positrón de Dirac en los semiconductores.

«En la década del 70 se pusieron esperanzas en el plomo, y en los años 2000, en el grafeno. Sin embargo, en ambos casos se presentaban desviaciones de las propiedades de las partículas en los semiconductores, respecto a las ideas de Dirac. Especialmente tuvo mucha trascendencia el caso del grafeno, donde la compresión de los electrones y de los huecos en el espacio bidimensional abría la posibilidad de la recombinación de Auger. En el espacio bidimensional las partículas se encuentran ubicadas demasiado cerca, y es complicado evitar colisiones. En nuestro trabajo mostramos que en los metaloides de Weyl, la analogía con los electrones y positrones Dirac se manifiesta al máximo», — dice el director de las investigaciones, Jefe del Laboratorio de optoelectrónica de materiales bidimensionales, Sr. Dmitriy Svintsov.

El electrón y el hueco en el semiconductor se parecen efectivamente al electrón y al positrón de la teoría de Dirac, por lo menos en los signos de la carga. Pero esto no es suficiente para prohibir la recombinación de Auger. Es necesario que las leyes de dispersión del electrón y del hueco en el semiconductor coincidan con las de las partículas de Dirac. La ley de dispersión es la dependencia que existe entre la energía cinética de la partícula y su impulso. Esta dependencia codifica toda la información sobre el movimiento de las partículas y las reacciones en las que las partículas puedan participar.

Para todos los objetos en la mecánica clásica – piedras, planetas, naves espaciales – la ley de dispersión es cuadrática. Es decir, el doble aumento del impulso necesita el cuádruple aumento de energía. Esta misma la ley de dispersión se manifiesta en semiconductores «normales» – cilicio, germanio, arseniuro de galio. Pero para los fotones – portadores de luz – la ley de dispersión es lineal. De aquí se desprende que los fotones se mueven a una misma velocidad — a la velocidad de la luz. Los electrones y positrones en la teoría de Dirac reúnen las propiedades de las piedras y de los fotones: a energías poco intensas su ley de dispersión es cuadrática, y con energías muy intensas, es lineal. Pero «lanzar» el electrón al sector lineal de la ley de dispersión solo era posible en un acelerador de partículas cargadas.

Recientemente se han descubierto materiales que, hablando metafóricamente, se podrían llamar «aceleradores de bolsillo» de las partículas cargadas. Entre estos se sencuentran el grafeno – «acelerador en la punta del lápiz» y sus análogos tridimensionales – los semimetales de Weyl (arseniuro de tántalo, fosfuro de niobio, telururo de molibdeno). En estos los materiales la dispersión de electrones y huecos es lineal, comenzando desde energías infinitamente poco intensas. Es decir los portadores de la corriente se comportan como fotones con carga eléctrica. Estas partículas también pueden considerarse análogos del electrón y del positrón en la teoría de Dirac, sin embargo su masa se aproxima a cero.

Los autores del trabajo han demostraron que la prohibición de la recombinación de Auger será aplicable en los metaloides de Weyl, incluso a pesar de la masa cero de las partículas. Anticipándose a la objeción de que la ley de dispersión en cristales reales siempre tiene una forma más compleja, los autores fueron más lejos y calcularon la probabilidad de «recombinación residual de Auger», que surge debido a las desviaciones de la ley de dispersión respecto de la ley lineal. En función de la concentración de los electrones esta probabilidad como se ha revelado, puede ser en 4 órdenes de magnitud más lenta que en los materiales de metaloides conocidos. Es decir, la idea de Dirac, según los cálculos de los autores, en estos materiales se especifica efectivamente con gran precisión.

«Conocemos la amarga experiencia de los predecesores que esperaban reproducir exactamente la ley de la dispersión pronosticada por Dirac, en los cristales reales. Por eso hicimos todo lo posible para detectar las salidas posibles para el proceso de Auger en estos materiales nuevos, en los metaloides de Weyl. Estas salidas existen — por ejemplo, en un material real existen algunas «categorías» de electrones de se distinguen por sus velocidades. Los electrones y huecos lentos pueden quemarse, pero los rápidos pueden atrapar la energía. Sin embargo, esta posibilidad, según nuestros cálculos, es poco probable», — añade Dmitriy Svintsov.

La vida útil resultante del par de electrón-hueco es aproximadamente 10 nanosegundos. En el sentido habitual es un número muy pequeño, pero para la física de láser es un valor enorme. En los materiales habituales usados en las tecnologías láser de la gama infrarroja lejana, la vida útil de los electrones y los huecos es miles de veces más corta. La posibilidad de alargar considerablemente la vida útil de los electrones y huecos desequilibrados en los materiales nuevos, abre posibilidades para usarlos en los nuevos tipos de los láseres de onda larga.

Fuente: noticiasdelaciencia.com