Un team di ricercatori del Boston College ha scoperto che la fotocorrente entra (illustrata in blu) lungo un asse cristallino del semimetallo di Weyl e fuoriesce (illustrata in giallo/arancione) lungo l’asse perpendicolare, qui rappresentato come risultato di una nuova tecnica di sviluppato utilizzando sensori di campo magnetico quantistico per visualizzare il flusso di elettricità. Credito: Zhou Lab, Boston College
Un team guidato dal Boston College ha ideato un nuovo metodo di sensori quantistici per visualizzare e comprendere la fonte del flusso di fotocorrente nei semimetalli Weyl.
In un recente articolo pubblicato sulla rivista Boston Collegeei suoi colleghi hanno scoperto un nuovo metodo sorprendente per convertire la luce in elettricità nei semimetalli Weyl utilizzando sensori quantistici.
Molte tecnologie contemporanee come fotocamere, sistemi in fibra ottica e pannelli solari si basano sulla trasformazione della luce in segnali elettrici. Tuttavia, nella maggior parte dei materiali, il semplice brillamento della luce sulla loro superficie non comporta la generazione di elettricità in quanto non esiste una direzione specifica per il flusso di elettricità. Per superare queste limitazioni e creare nuovi dispositivi optoelettronici, i ricercatori stanno studiando le proprietà uniche degli elettroni nei semimetalli Weyl.
“La maggior parte dei dispositivi fotoelettrici richiede due materiali diversi per creare un’asimmetria nello spazio”, ha detto Zhou, che ha lavorato con otto colleghi BC e due ricercatori della Nanyang Technological University di Singapore. “Qui, abbiamo dimostrato che l’asimmetria spaziale all’interno di un singolo materiale – in particolare l’asimmetria nelle sue proprietà di trasporto termoelettrico – può dare origine a fotocorrenti spontanee”.
Il team ha studiato i materiali ditellururo di tungsteno e tetratelluride di tantalio iridio, che appartengono entrambi alla classe dei semimetalli Weyl. I ricercatori hanno sospettato che questi materiali sarebbero buoni candidati per la generazione di fotocorrente perché la loro struttura cristallina è intrinsecamente asimmetrica di inversione; vale a dire, il cristallo non si mappa su se stesso invertendo le direzioni attorno a un punto.
Il gruppo di ricerca di Zhou ha deciso di capire perché i semimetalli Weyl sono efficienti nel convertire la luce in elettricità. Le misurazioni precedenti potevano solo determinare la quantità di elettricità che fuoriesce da un dispositivo, come misurare la quantità di acqua che scorre da un lavandino in un tubo di scarico. Per comprendere meglio l’origine delle fotocorrenti, il team di Zhou ha cercato di visualizzare il flusso di elettricità all’interno del dispositivo, in modo simile alla creazione di una mappa delle correnti d’acqua vorticose nel lavandino.
“Come parte del progetto, abbiamo sviluppato una nuova tecnica utilizzando sensori di campo magnetico quantistico chiamati centri di azoto vacante nel diamante per visualizzare il campo magnetico locale prodotto dalle fotocorrenti e ricostruire le linee di flusso complete del flusso di fotocorrente”, lo studente laureato Yu-Xuan Wang, autore principale del manoscritto, ha detto.
Il team ha scoperto che la corrente elettrica scorreva in uno schema a vortice quadruplo intorno al punto in cui la luce risplendeva sul materiale. Il team ha inoltre visualizzato come il modello di flusso circolante viene modificato dai bordi del materiale e ha rivelato che l’angolo preciso del bordo determina se la fotocorrente totale che fuoriesce dal dispositivo è positiva, negativa o zero.
“Queste immagini di flusso mai viste prima ci hanno permesso di spiegare che il meccanismo di generazione della fotocorrente è sorprendentemente dovuto a un effetto fototermoelettrico anisotropico, vale a dire differenze nel modo in cui il calore viene convertito in corrente lungo le diverse direzioni nel piano del Weyl semimetallo”, ha detto Zhou.
Sorprendentemente, l’aspetto della termopotenza anisotropa non è necessariamente correlata all’asimmetria di inversione mostrata dai semimetalli di Weyl e, quindi, può essere presente in altre classi di materiali.
“Le nostre scoperte aprono una nuova direzione per la ricerca di altri materiali altamente fotosensibili”, ha detto Zhou. “Mette in mostra l’impatto dirompente dei sensori abilitati alla quantistica su questioni aperte nella scienza dei materiali”.
Zhou ha affermato che i progetti futuri utilizzeranno l’esclusivo microscopio a flusso di fotocorrente per comprendere le origini delle fotocorrenti in altri materiali esotici e per spingere i limiti nella sensibilità di rilevamento e nella risoluzione spaziale.
Riferimento: “Visualizzazione del flusso di fotocorrente di massa e di bordo nei semimetalli Weyl anisotropici” di Yu-Xuan Wang, Xin-Yue Zhang, Chunhua Li, Xiaohan Yao, Ruihuan Duan, Thomas KM Graham, Zheng Liu, Fazel Tafti, David Broido, Ying Ran e Brian B. Zhou, 23 gennaio 2023, Fisica della natura.
DOI: 10.1038/s41567-022-01898-0
Lo studio è stato finanziato dalla National Science Foundation, dal DOE/US Department of Energy e dall’Air Force Office of Scientific Research.
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