Materialien, die Licht in ihrer Masse in den Strom gleichrichten, werden für optoelektronische Anwendungen bevorzugt. Bulk-Photoströme können sich in Weyl-Halbmetallen mit gebrochener Inversionssymmetrie aufgrund intensivierter nichtlinearer optischer Prozesse in der Nähe der Weyl-Knoten entwickeln. Nichtsdestotrotz wird die Rasterphotostrommikroskopie, die die Wirkungen der Photostromerzeugung und -sammlung durcheinander bringt, häufig verwendet, um die Photoreaktion dieser Materialien zu untersuchen.
Wissenschaftler des Boston College haben einen überraschenden neuen Mechanismus zur Umwandlung von Licht in Elektrizität in Weyl-Halbmetallen mithilfe von Quantensensoren entdeckt. Sie haben gezeigt, dass die räumliche Asymmetrie innerhalb eines einzelnen Materials spontane Photoströme erzeugen kann.
Die Wissenschaftler untersuchten zwei Materialien: Wolfram-Ditellurid und Tantal-Iridium-Tetratellurid. Beide Materialien gehören zur Klasse der Weyl-Halbmetalle.
Laut Wissenschaftlern wären diese Materialien eine gute Wahl für die Erzeugung von Photostrom, da ihre Kristallstruktur von Natur aus inversionsasymmetrisch ist. Das bedeutet, dass ihr Kristall nicht auf sich selbst abgebildet wird, indem er die Richtung um einen Punkt herum umkehrt.
Die Wissenschaftler dieser Studie ermittelten den Grund für die Wirksamkeit von Weyl-Halbmetallen bei der Umwandlung von Licht in Elektrizität.
Frühere Messungen schätzten nur die Strommenge, die aus einem Gerät kommt. Ähnlich wie bei der Erstellung einer Karte der wirbelnden Wasserströmungen im Waschbecken versuchten die Wissenschaftler, den Stromfluss innerhalb des Geräts zu visualisieren, um den Ursprung der Photoströme besser zu verstehen.
Doktorand Yu-Xuan Wang, Hauptautor des Manuskripts, sagte:„Als Teil des Projekts haben wir eine neue Technik entwickelt, bei der Quantenmagnetfeldsensoren, sogenannte Stickstoff-Leerstellen-Zentren in Diamant, verwendet werden, um das lokale Magnetfeld abzubilden, das von den Fotoströmen erzeugt wird, und die vollständigen Stromlinien des Fotostromflusses zu rekonstruieren.“
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.
Brian Zhou, Assistenzprofessor für Physik am Boston College genannt,„Diese nie zuvor gesehenen Strömungsbilder ermöglichten uns zu erklären, dass der Mechanismus der Photostromerzeugung überraschenderweise auf einem anisotropen photothermoelektrischen Effekt beruht – das heißt, Unterschieden bei der Umwandlung von Wärme in Strom entlang der verschiedenen Richtungen in der Ebene des Weyl Halbmetall.“
„Überraschenderweise hängt das Auftreten anisotroper Thermokraft nicht unbedingt mit der Inversionsasymmetrie zusammen, die Weyl-Halbmetalle zeigen, und kann daher auch in anderen Materialklassen vorhanden sein.“
„Unsere Ergebnisse eröffnen eine neue Richtung für die Suche nach anderen stark photoresponsiven Materialien. Es zeigt den disruptiven Einfluss quantenfähiger Sensoren auf offene Fragen in der Materialwissenschaft.“
„Zukünftige Projekte werden das einzigartige Photostrom-Durchflussmikroskop verwenden, um die Ursprünge von Photoströmen in anderen exotischen Materialien zu verstehen und die Grenzen der Nachweisempfindlichkeit und räumlichen Auflösung zu erweitern.“
Zeitschriftenreferenz:
- Wang, YX., Zhang, XY., Li, C. et al. Visualisierung des Volumen- und Kanten-Photostromflusses in anisotropen Weyl-Halbmetallen. Nat. Phys. (2023). DOI: 10.1038/s41567-022-01898-0
