Een team van onderzoekers van Boston College ontdekte dat de fotostroom naar binnen stroomt (blauw weergegeven) langs één kristalas van het Weyl-semimetaal en naar buiten stroomt (geel/oranje weergegeven) langs de loodrechte as, hier weergegeven als resultaat van een nieuwe techniek die de team ontwikkeld met behulp van kwantummagnetische veldsensoren om de stroom van elektriciteit te visualiseren. Credits: Zhou Lab, Boston College
Een team onder leiding van Boston College heeft een nieuwe kwantumsensormethode bedacht om de bron van fotostroom in Weyl-semimetalen in beeld te brengen en te begrijpen.
In een recent artikel gepubliceerd in het tijdschrift <span class="glossaryLink" aria-describedby="tt" data-cmtooltip="
natuur fysica
Zoals de naam al aangeeft, is Nature Physics een collegiaal getoetst, wetenschappelijk tijdschrift over natuurkunde en wordt uitgegeven door Nature Research. Het werd voor het eerst gepubliceerd in oktober 2005 en de maandelijkse dekking omvat artikelen, brieven, recensies, onderzoekshoogtepunten, nieuws en meningen, commentaren, boekrecensies en correspondentie.
” data-gt-translate-attributen=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”>Natuurfysica, Brian Zhou, een assistent-professor natuurkunde aan Boston Collegeen zijn collega’s hebben een verrassende nieuwe methode ontdekt voor het omzetten van licht in elektriciteit in Weyl-semimetalen met behulp van kwantumsensoren.
Veel hedendaagse technologieën zoals camera’s, glasvezelsystemen en zonnepanelen vertrouwen op de transformatie van licht in elektrische signalen. Bij de meeste materialen resulteert het simpelweg schijnen van licht op hun oppervlak echter niet in het opwekken van elektriciteit, aangezien er geen specifieke richting is voor de stroom van elektriciteit. Om deze beperkingen te overwinnen en nieuwe opto-elektronische apparaten te creëren, bestuderen onderzoekers de unieke eigenschappen van elektronen in Weyl-semimetalen.
« De meeste foto-elektrische apparaten hebben twee verschillende materialen nodig om asymmetrie in de ruimte te creëren », zegt Zhou, die samenwerkte met acht BC-collega’s en twee onderzoekers van de Nanyang Technological University in Singapore. « Hier hebben we aangetoond dat de ruimtelijke asymmetrie binnen een enkel materiaal – met name de asymmetrie in zijn thermo-elektrische transporteigenschappen – aanleiding kan geven tot spontane fotostromen. »
Het team bestudeerde de materialen wolfraamditelluride en tantaal iridiumtetratelluride, die beide behoren tot de klasse van Weyl-semimetalen. Onderzoekers vermoedden dat deze materialen goede kandidaten zouden zijn voor het genereren van fotostromen, omdat hun kristalstructuur inherent inversie-asymmetrisch is; dat wil zeggen, het kristal brengt zichzelf niet in kaart door richtingen rond een punt om te keren.
Zhou’s onderzoeksgroep probeerde te begrijpen waarom Weyl-semimetalen efficiënt zijn in het omzetten van licht in elektriciteit. Eerdere metingen konden alleen de hoeveelheid elektriciteit bepalen die uit een apparaat komt, zoals meten hoeveel water er uit een gootsteen in een afvoerpijp stroomt. Om de oorsprong van de fotostromen beter te begrijpen, probeerde het team van Zhou de stroom van elektriciteit in het apparaat te visualiseren – vergelijkbaar met het maken van een kaart van de wervelende waterstromen in de gootsteen.
« Als onderdeel van het project hebben we een nieuwe techniek ontwikkeld met behulp van kwantummagnetische veldsensoren, stikstof-vacancy-centra in diamant genaamd, om het lokale magnetische veld dat wordt geproduceerd door de fotostromen in beeld te brengen en de volledige stroomlijnen van de fotostroom te reconstrueren, » afgestudeerde student Yu-Xuan Wang, hoofdauteur van het manuscript, zei.
Het team ontdekte dat de elektrische stroom in een viervoudig vortexpatroon stroomde rond waar het licht op het materiaal scheen. Het team visualiseerde verder hoe het circulerende stroompatroon wordt gewijzigd door de randen van het materiaal en onthulde dat de precieze hoek van de rand bepaalt of de totale fotostroom die uit het apparaat stroomt positief, negatief of nul is.
« Deze nooit eerder vertoonde stroombeelden stelden ons in staat om uit te leggen dat het mechanisme voor het genereren van fotostromen verrassend genoeg te wijten is aan een anisotroop fotothermo-elektrisch effect – dat wil zeggen, verschillen in hoe warmte wordt omgezet in stroom langs de verschillende richtingen in het vlak van de Weyl halfmetaal, ‘zei Zhou.
Verrassend genoeg is het verschijnen van anisotrope thermokracht niet noodzakelijkerwijs gerelateerd aan de inversie-asymmetrie die wordt weergegeven door Weyl-semimetalen, en kan daarom aanwezig zijn in andere materiaalklassen.
« Onze bevindingen openen een nieuwe richting voor het zoeken naar andere zeer fotogevoelige materialen, » zei Zhou. « Het toont de ontwrichtende impact van kwantum-enabled sensoren op open vragen in de materiaalkunde. »
Zhou zei dat toekomstige projecten de unieke fotostroomstroommicroscoop zullen gebruiken om de oorsprong van fotostromen in andere exotische materialen te begrijpen en om de grenzen van detectiegevoeligheid en ruimtelijke resolutie te verleggen.
Referentie: « Visualisatie van bulk- en randfotostroomstroming in anisotrope Weyl-semimetalen » door Yu-Xuan Wang, Xin-Yue Zhang, Chunhua Li, Xiaohan Yao, Ruihuan Duan, Thomas KM Graham, Zheng Liu, Fazel Tafti, David Broido, Ying Ran en Brian B. Zhou, 23 januari 2023, natuur fysica.
DOI: 10.1038/s41567-022-01898-0
De studie werd gefinancierd door de National Science Foundation, het DOE/US Department of Energy en het Air Force Office of Scientific Research.
