Ein Team von Forschern des Boston College entdeckte, dass der Photostrom entlang einer Kristallachse des Weyl-Halbmetalls einfließt (dargestellt in blau) und entlang der senkrechten Achse herausfließt (dargestellt in gelb/orange), hier als Ergebnis einer neuen Technik dargestellt Team entwickelt, das Quantenmagnetfeldsensoren verwendet, um den Stromfluss zu visualisieren. Bildnachweis: Zhou Lab, Boston College
Ein Team unter der Leitung des Boston College hat eine neue Quantensensormethode entwickelt, um die Quelle des Photostromflusses in Weyl-Halbmetallen abzubilden und zu verstehen.
In einem kürzlich in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel NaturphysikBrian Zhou, Assistenzprofessor für Physik am Boston College, und seine Kollegen haben eine überraschende neue Methode zur Umwandlung von Licht in Elektrizität in Weyl-Halbmetallen unter Verwendung von Quantensensoren entdeckt.
Viele moderne Technologien wie Kameras, Glasfasersysteme und Sonnenkollektoren beruhen auf der Umwandlung von Licht in elektrische Signale. Bei den meisten Materialien führt jedoch einfaches Beleuchten ihrer Oberfläche nicht zur Stromerzeugung, da es keine bestimmte Richtung für den Stromfluss gibt. Um diese Einschränkungen zu überwinden und neue optoelektronische Geräte zu schaffen, untersuchen Forscher die einzigartigen Eigenschaften von Elektronen in Weyl-Halbmetallen.
„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 effizient in Strom 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, bei der Quantenmagnetfeldsensoren, sogenannte Stickstoff-Leerstellen-Zentren in Diamanten, verwendet 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 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“, 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 erweitern.
Referenz: „Visualisierung des Bulk- und Kanten-Photostromflusses in anisotropen Weyl-Halbmetallen“ von Yu-Xuan Wang, Xin-Yue Zhang, Chunhua Li, Xiaohan Yao, Ruihuan Duan, Thomas KM Graham, Zheng Liu, Fazel Tafti, David Broido, Ying Ran und Brian B. Zhou, 23. Januar 2023, Naturphysik.
DOI: 10.1038/s41567-022-01898-0
Die Studie wurde von der National Science Foundation, dem DOE/US Department of Energy und dem Air Force Office of Scientific Research finanziert.
