Подавление Оже-рекомбинации в полуметаллах Вейля / Афанасьев А.Н., Грешнов А.А., Свинцов Д.А

Abstract

Стремительный рост скорости процессов Оже-рекомбинации (ОР) при уменьшении ширины запрещенной зоны, присущий традиционным полупроводниковым материалам, является одним из главных препятствий для создания лазеров инфракрасного и терагерцового диапазона. Естественно, что наиболее остро проблема ОР встает в случае отсутствия энергетической щели как таковой. Однако, в недавно открытых материалах с ультрарелятивистским законом дисперсии носителей - полуметаллах Вейля (ПМВ) [1] - ОР может быть сильно (на несколько порядков) подавлена [2]. В случае строго изотропного закона дисперсии или наличия единственной точки Вейля во всей зоне Бриллюэна процесс ОР оказывается запрещенным законами сохранения, а его интенсивность в пределе малого дополнительного рассеяния стремится к нулю (в отличие от графена [3]). Однако, во всех экспериментально открытых и предсказанных ПМВ имеется как минимум одна группа вейлевских точек (в "семействе" TaAs - две, W1 и W2, содержащие совместно 24 точки Вейля). Энергетический спектр является анизотропным из-за низкосимметричного положения точек Вейля, причем ориентация главных осей в каждой точке - своя. В меру различия законов дисперсии носителей E(k) между различными точами Вейля (относительно единой системы координат волнового вектора) ОР в реальных ПМВ становится возможной, причем, в зависимости от того, идут ли обе "половинки" процесса в долинах одной группы или разных, соответствующие процессы можно разделить на внутригрупповые и межгрупповые. Дополнительным источником подавления ОР в ПМВ служит сильное экранирование свободными носителями, в меру большого числа точек Вейля и, как правило, несобственного характера равновесного заполнения одной из групп. Интересной особенностью ОР в ПМВ является невзаимность межгрупповых процессов. Например, для случая изотропной дисперсии в группах W1 и W2 при соотношении между вейлевскими скоростями 12  vv точки W1 геометрически защищены от межгруппового канала рекомбинации [2]. Для количественного описания ОР в ПМВ мы использовали метод Зипа-Мокера [4], в рамках которого свели выражения для темпа ОР к произведению геометрического и статистического факторов. Проведенные расчеты показали возможность практического формирования долгоживущей межзонной инверсии населенностей в геометрически защищенной группе W1 ПМВ типа TaAs. Показано, что время релаксации долгоживущей части распределения может достигать нескольких наносекунд, что дает надежду на возможность реализации терагерцового лазера на ПМВ.