Quantensensoren können verwendet werden, um einen überraschenden neuen Mechanismus zur Umwandlung von Licht in Elektrizität in Weyl-Halbmetallen aufzudecken, berichten Brian Zhou, Assistenzprofessor für Physik am Boston College (BC), und Kollegen in der Zeitschrift Naturphysik.
Eine Reihe moderner Technologien wie Kameras, Glasfasernetze und Solarzellen beruhen auf der Umwandlung von Licht in elektrische Signale. Bei den meisten Materialien wird jedoch kein Strom erzeugt, wenn Licht auf ihre Oberfläche scheint, da es keine bevorzugte Richtung für den Stromfluss gibt. Die einzigartigen Eigenschaften von Elektronen in Weyl-Halbmetallen haben sie in den Fokus von Forschern gerückt, die versuchen, diese Grenzen zu überwinden und neuartige optoelektronische Geräte zu entwickeln.
„Die meisten photoelektrischen Geräte erfordern zwei verschiedene Materialien, um eine Asymmetrie im Raum zu erzeugen“, sagte Zhou, der mit acht BC-Kollegen und zwei Forschern der Nanyang Technological University in Singapur zusammenarbeitete. „Hier haben wir gezeigt, dass die räumliche Asymmetrie innerhalb eines einzelnen Materials – insbesondere die Asymmetrie in seinen thermoelektrischen Transporteigenschaften – zu spontanen Photoströmen führen kann.“
Das Team untersuchte die Materialien Wolframditellurid und Tantaliridiumtetratellurid, die beide zur Klasse der Weyl-Halbmetalle gehören. Forscher haben vermutet, dass diese Materialien gute Kandidaten für die Photostromerzeugung wären, da ihre Kristallstruktur von Natur aus inversionsasymmetrisch ist; das heißt, der Kristall bildet sich nicht auf sich selbst ab, indem er die Richtung um einen Punkt herum umkehrt.
Zhous Forschungsgruppe wollte verstehen, warum Weyl-Halbmetalle Licht in Elektrizität effizient umwandeln. Bisherige Messungen konnten nur die Strommenge bestimmen, die aus einem Gerät kommt, wie etwa die Messung, wie viel Wasser von einem Waschbecken in ein Abflussrohr fließt. Um den Ursprung der Photoströme besser zu verstehen, versuchte Zhous Team, den Stromfluss innerhalb des Geräts zu visualisieren – ähnlich wie eine Karte der wirbelnden Wasserströmungen im Waschbecken zu erstellen.
„Als Teil des Projekts haben wir eine neue Technik entwickelt, die Quantenmagnetfeldsensoren verwendet, die als Stickstoff-Leerstellen-Zentren in Diamanten bezeichnet werden, um das lokale Magnetfeld abzubilden, das von den Fotoströmen erzeugt wird, und die vollständigen Stromlinien des Fotostromflusses zu rekonstruieren“, sagte der Doktorand Yu-Xuan Wang, Hauptautor des Manuskripts, sagte.
Das Team stellte fest, dass der elektrische Strom in einem vierfachen Wirbelmuster um die Stelle herum floss, an der das Licht auf das Material schien. Das Team visualisierte ferner, wie das zirkulierende Strömungsmuster durch die Kanten des Materials verändert wird, und zeigte, dass der genaue Winkel der Kante bestimmt, ob der gesamte aus dem Gerät fließende Fotostrom positiv, negativ oder null ist.
„Diese nie zuvor gesehenen Strömungsbilder erlaubten uns zu erklären, dass der Mechanismus der Photostromerzeugung überraschenderweise auf einen anisotropen photothermoelektrischen Effekt zurückzuführen ist – das heißt, Unterschiede in der Umwandlung von Wärme in Strom entlang der verschiedenen Richtungen in der Ebene des Weyl Halbmetall“, sagte Zhou.
Überraschenderweise hängt das Auftreten anisotroper Thermokraft nicht unbedingt mit der Inversionsasymmetrie zusammen, die von Weyl-Halbmetallen gezeigt wird, und kann daher in anderen Materialklassen vorhanden sein.
„Unsere Ergebnisse eröffnen eine neue Richtung für die Suche nach anderen stark photoresponsiven Materialien“, sagte Zhou. „Es zeigt den disruptiven Einfluss von quantenfähigen Sensoren auf offene Fragen in der Materialwissenschaft.“
Zhou sagte, dass zukünftige Projekte das einzigartige Photostrom-Durchflussmikroskop verwenden werden, um die Ursprünge von Photoströmen in anderen exotischen Materialien zu verstehen und die Grenzen der Nachweisempfindlichkeit und räumlichen Auflösung zu verschieben.
Mehr Informationen:
Yu-Xuan Wang et al, Visualisierung des Volumen- und Kanten-Photostromflusses in anisotropen Weyl-Halbmetallen, Naturphysik (2023). DOI: 10.1038/s41567-022-01898-0