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.