Группа исследователей Бостонского колледжа обнаружила, что фототок втекает (показано синим цветом) вдоль одной кристаллической оси полуметалла Вейля и вытекает (показано желтым/оранжевым цветом) вдоль перпендикулярной оси, что представлено здесь как результат новой методики, разработанной группой с использованием квантовых датчиков магнитного поля для визуализации потока электричества. Credit: Zhou Lab, Boston College
Группа специалистов под руководством сотрудников Бостонского колледжа разработала новый метод квантовых датчиков для получения изображения и понимания источника фототока в полуметаллах Вейля.
В недавней работе, опубликованной в журнале Nature Physics, Брайан Чжоу, доцент кафедры физики Бостонского колледжа, и его коллеги открыли новый удивительный метод преобразования света в электричество в полуметаллах Вейля с помощью квантовых датчиков.
Многие современные технологии, такие как камеры, волоконно-оптические системы и солнечные батареи, основаны на преобразовании света в электрические сигналы. Однако в большинстве материалов простое попадание света на их поверхность не приводит к генерации электричества, поскольку отсутствует определенное направление потока электричества. Чтобы преодолеть эти ограничения и создать новые оптоэлектронные устройства, исследователи изучают уникальные свойства электронов в полуметаллах Вейля.
«Большинство фотоэлектрических устройств требуют использования двух различных материалов для создания асимметрии в пространстве», — говорит Чжоу, работавший с восемью коллегами из Британской Колумбии и двумя исследователями из Наньянского технологического университета в Сингапуре. «Здесь мы показали, что пространственная асимметрия внутри одного материала — в частности, асимметрия его термоэлектрических транспортных свойств — может привести к возникновению спонтанных фототоков».
Группа исследовала материалы дителлурид вольфрама и тетрателлурид тантала-иридия, которые относятся к классу полуметаллов Вейля. Исследователи предполагали, что эти материалы могут быть хорошими кандидатами для генерации фототоков, поскольку их кристаллическая структура по своей природе инверсионно асимметрична, т.е. кристалл не отображается сам на себя, меняя направление относительно точки.
Исследовательская группа Чжоу поставила перед собой задачу понять, почему полуметаллы Вейля эффективно преобразуют свет в электричество. Предыдущие измерения позволяли определить только количество электричества, выходящего из устройства, подобно измерению количества воды, вытекающей из раковины в водосточную трубу. Чтобы лучше понять происхождение фототоков, команда Чжоу попыталась визуализировать поток электричества внутри устройства — подобно составлению карты завихрений потоков воды в раковине.
«В рамках проекта мы разработали новую методику с использованием квантовых датчиков магнитного поля — центров азотной вакансии в алмазе — для получения изображения локального магнитного поля, создаваемого фототоками, и реконструкции полной линии потока фототока», — сказал аспирант Ю-Ксуан Ванг, ведущий автор рукописи.
Группа обнаружила, что электрический ток течет в виде четырехкратного вихря вокруг того места, где на материал падал свет. Далее команда визуализировала, как картина циркулирующего потока изменяется краями материала, и обнаружила, что точный угол края определяет, является ли общий фототок, вытекающий из устройства, положительным, отрицательным или нулевым.
«Эти невиданные ранее изображения потоков позволили нам объяснить, что механизм генерации фототока удивительным образом обусловлен анизотропным фототермоэлектрическим эффектом, т.е. различиями в способах преобразования тепла в ток вдоль различных внутриплоскостных направлений вейловского полуметалла», — сказал Чжоу.
Удивительно, но появление анизотропной термоэнергии не обязательно связано с инверсионной асимметрией, проявляемой вейловскими полуметаллами, и, следовательно, может присутствовать в других классах материалов.
«Наши результаты открывают новое направление для поиска других высокофоточувствительных материалов», — сказал Чжоу. «Это демонстрирует разрушительное влияние квантовых сенсоров на открытые вопросы в материаловедении».
По словам Чжоу, в будущих проектах уникальный фототоковый микроскоп будет использоваться для понимания происхождения фототоков в других экзотических материалах, а также для расширения пределов чувствительности и пространственного разрешения детекторов.
Ссылка: «Визуализация объемного и краевого фототока в анизотропных вейловских полуметаллах», Ю-Сюань Ван, Синь-Юэ Чжан, Чуньхуа Ли, Сяохань Яо, Руйхуан Дуань, Томас К. М. Грэм, Чжэн Лю, Фазель Тафти, Дэвид Бройдо, Ин Ран и Брайан Б. Чжоу, 23 января 2023 г., Nature Physics . DOI: 10.1038/s41567-022-01898-0
Исследование финансировалось Национальным научным фондом, Министерством энергетики США и Управлением научных исследований ВВС.
