Boston College araştırmacılarından oluşan bir ekip, ışık akımının Weyl yarı metalinin bir kristal ekseni boyunca içeri aktığını (mavi ile gösterilmiştir) ve temsil edilen dikey eksen boyunca dışarı aktığını (sarı/turuncu ile gösterilmiştir) keşfetti. ekibin elektrik akışını görselleştirmek için kuantum manyetik alan sensörleri kullanarak geliştirdiği yeni bir tekniğin sonucu olarak burada. Kredi: Zhou Lab, Boston College
Boston College liderliğindeki bir ekip, Weyl yarı metallerindeki fotoakım akışının kaynağını görüntülemek ve anlamak için yeni bir kuantum sensör yöntemi geliştirdi.{4 }
Nature Physics dergisinde yakın zamanda yayınlanan bir makalede, Boston College’da Fizik Yardımcı Doçenti olan Brian Zhou ve meslektaşları, kuantum sensörleri kullanarak Weyl yarı metallerinde ışığı elektriğe dönüştürmek için şaşırtıcı yeni bir yöntem keşfettiler.{4 }
Kameralar, fiber optik sistemler ve güneş panelleri gibi birçok çağdaş teknoloji, ışığın elektrik sinyallerine dönüştürülmesine dayanır. Bununla birlikte, çoğu malzemede, elektrik akışı için belirli bir yön olmadığı için, yüzeylerine sadece ışık tutulması elektrik üretimiyle sonuçlanmaz. Araştırmacılar, bu sınırlamaların üstesinden gelmek ve yeni optoelektronik cihazlar yaratmak için Weyl yarı metallerindeki elektronların benzersiz özelliklerini inceliyorlar.
“Çoğu fotoelektrik cihaz, uzayda bir asimetri oluşturmak için iki farklı malzeme gerektirir” dedi. Singapur’daki Nanyang Teknoloji Üniversitesi’nden sekiz BC meslektaşı ve iki araştırmacı. “Burada, tek bir malzeme içindeki uzamsal asimetrinin – özellikle de termoelektrik taşıma özelliklerindeki asimetrinin – kendiliğinden foto akımlara yol açabileceğini gösterdik.”
Ekip, tungsten ditelluride ve tantalum iridium tetratelluride malzemelerini inceledi, her ikisi de Weyl semimetal sınıfına aittir. Araştırmacılar, bu malzemelerin, kristal yapıları doğası gereği inversiyon asimetrik olduğundan, fotoakım üretimi için iyi adaylar olacağından şüpheleniyorlar; yani kristal, bir nokta etrafında yönleri tersine çevirerek kendi üzerine eşlenmez.
Zhou’nun araştırma grubu, Weyl yarı metallerinin ışığı elektriğe dönüştürmede neden verimli olduğunu anlamak için yola çıktı. Önceki ölçümler, bir lavabodan bir drenaj borusuna ne kadar su aktığını ölçmek gibi, yalnızca bir cihazdan çıkan elektrik miktarını belirleyebilirdi. Fotoakımların kaynağını daha iyi anlamak için Zhou’nun ekibi, lavaboda dönen su akıntılarının haritasını çıkarmaya benzer bir şekilde, cihaz içindeki elektrik akışını görselleştirmeye çalıştı.
“Projenin bir parçası olarak, yüksek lisans öğrencisi Yu-Xuan Wang, el yazmasının başyazarı, yüksek lisans öğrencisi Yu-Xuan Wang, fotoakımlar tarafından üretilen yerel manyetik alanı görüntülemek ve fotoakım akışının tüm akış çizgilerini yeniden oluşturmak için elmastaki nitrojen boşluk merkezleri adı verilen kuantum manyetik alan sensörlerini kullanarak yeni bir teknik geliştirdi. dedi.
Ekip, elektrik akımının, ışığın malzeme üzerinde parladığı yerde dört katlı bir girdap şeklinde aktığını buldu. Ekip, dolaşan akış modelinin malzemenin kenarları tarafından nasıl değiştirildiğini daha da görselleştirdi ve kenarın kesin açısının, cihazdan akan toplam foto akımın pozitif mi, negatif mi yoksa sıfır mı olduğunu belirlediğini ortaya çıkardı.
“Daha önce hiç görülmemiş bu akış görüntüleri, fotoakım üretim mekanizmasının şaşırtıcı bir şekilde anizotropik fototermoelektrik etkiden kaynaklandığını, yani Weyl’in farklı düzlem içi yönleri boyunca ısının akıma dönüştürülmesindeki farklılıklar olduğunu açıklamamıza izin verdi. yarı metal,” dedi Zhou.
Şaşırtıcı bir şekilde, anizotropik ısıl gücün görünümü, Weyl yarı metallerinin gösterdiği ters çevirme asimetrisiyle zorunlu olarak ilişkili değildir ve bu nedenle, diğer malzeme sınıflarında mevcut olabilir.
Zhou, “Bulgularımız, diğer yüksek oranda ışığa duyarlı malzemeleri aramak için yeni bir yön açıyor” dedi. “Kuantum özellikli sensörlerin malzeme bilimindeki açık sorular üzerindeki yıkıcı etkisini gösteriyor.”
Zhou, gelecekteki projelerin diğer egzotik malzemelerdeki ışık akımlarının kökenlerini anlamak ve algılama hassasiyeti ve uzamsal çözünürlükteki sınırlar.
Referans: “Anizotropik Weyl yarı metallerinde yığın ve kenar fotoakım akışının görselleştirilmesi” yazan Yu-Xuan Wang, Xin-Yue Zhang, Chunhua Li, Xiaohan Yao, Ruihuan Duan, Thomas K. M. Graham, Zheng Liu, Fazel Tafti, David Broido, Ying Ran ve Brian B. Zhou, 23 Ocak 2023, Nature Physics.
DOI: 10.1038/s41567-022-01898-0
Çalışma, Ulusal Bilim Vakfı, DOE/ABD Enerji Bakanlığı ve Hava Kuvvetleri Bilimsel Araştırma Ofisi tarafından finanse edildi.