Вчені знайшли новий метод перетворення світла на електрику

Команда під керівництвом Бостонського коледжу розробила новий квантовий сенсорний метод для зображення та розуміння джерела потоку фотоструму в напівметалах Вейля. У нещодавній статті, опублікованій в журналі Nature Physics, Брайан Чжоу, доцент кафедри фізики Бостонського коледжу, та його колеги розкрили дивовижний новий метод перетворення світла в електрику в напівметалах Вейля за допомогою квантових датчиків.

Багато сучасних технологій, таких як камери, волоконно-оптичні системи та сонячні панелі, засновані на перетворенні світла в електричні сигнали. Однак у більшості матеріалів просте освітлення поверхні не призводить до генерації електрики, оскільки немає певного напрямку для потоку електрики. Щоб подолати ці обмеження та створити нові оптоелектронні пристрої, дослідники вивчають унікальні властивості електронів у напівметалах Вейля.

«Більшість фотоелектричних пристроїв потребують двох різних матеріалів для створення асиметрії в просторі», — сказав Чжоу, який працював із вісьмома колегами з BC та двома дослідниками з Наньянського технологічного університету в Сінгапурі. «Тут ми показали, що просторова асиметрія всередині одного матеріалу – зокрема, асиметрія його термоелектричних транспортних властивостей – може призвести до спонтанних фотострумів».

Команда досліджувала матеріали дителлурид вольфраму та тетрателурид іридію танталу, які обидва належать до класу напівметалів Вейля. Дослідники підозрюють, що ці матеріали будуть хорошими кандидатами для генерації фотоструму, оскільки їх кристалічна структура за своєю суттю є інверсійно асиметричною; тобто кристал не відображає сам себе шляхом зміни напрямків навколо точки.

Дослідницька група Чжоу намагалася зрозуміти, чому напівметали Вейля ефективно перетворюють світло в електрику. Попередні вимірювання могли лише визначити кількість електрики, що виходить із пристрою, як вимірювання кількості води, яка тече з раковини у водостічну трубу. Щоб краще зрозуміти походження фотострумів, команда Чжоу намагалася візуалізувати потік електрики всередині пристрою – подібно до створення карти закручених потоків води в раковині.

«У рамках проєкту ми розробили нову техніку з використанням квантових датчиків магнітного поля, які називаються центрами вакансій азоту в алмазі, для зображення локального магнітного поля, створюваного фотострумами, і реконструкції повних ліній потоку фотоструму», — аспірант Ю-Сюань. Ван, провідний автор рукопису, сказав.

Команда виявила, що електричний струм протікає у формі чотириразового вихру навколо місця, де на матеріал потрапляє світло. Команда далі візуалізувала, як картина циркулюючого потоку змінюється краями матеріалу, і виявила, що точний кут краю визначає, чи є загальний фотострум, що витікає з пристрою, позитивним, негативним або нульовим.

«Ці ніколи раніше не бачені зображення потоку дозволили нам пояснити, що механізм генерації фотоструму дивовижним чином обумовлений анізотропним фототермоелектричним ефектом, тобто різницею в тому, як тепло перетворюється на струм уздовж різних напрямків Вейля в площині. напівметал», — сказав Чжоу.

Дивно, але поява анізотропної термоЕРС не обов’язково пов’язана з інверсійною асиметрією, що демонструється напівметалами Вейля, і, отже, може бути присутнім в інших класах матеріалів.

«Наші відкриття відкривають новий напрямок для пошуку інших матеріалів із високою фоточутливістю», — сказав Чжоу. «Це демонструє руйнівний вплив квантових сенсорів на відкриті питання в матеріалознавстві».

Чжоу сказав, що майбутні проєкти використовуватимуть унікальний проточний мікроскоп фотоструму, щоб зрозуміти походження фотоструму в інших екзотичних матеріалах і розсунути межі чутливості виявлення та просторової роздільної здатності.