Překvapivá nová metoda přeměny světla na elektřinu
Foto: qimono/PixabayTým vedený Vysokou školou v Bostnu, vymyslel novou metodu kvantového senzoru pro zobrazení a pochopení zdroje toku fotoproudu ve Weylových polokovech. V nedávném článku publikovaném v časopise Přírodní fyzika, Brian Zhou, odborný asistent fyziky na Bustonské Vysoké škole a jeho kolegové odhalili překvapivou novou metodu přeměny světla na elektřinu ve Weylových polokovech pomocí kvantových senzorů.
Mnoho současných technologií, jako jsou kamery, optické systémy a solární panely, spoléhají na přeměnu světla na elektrické signály. U většiny materiálů však pouhé svítící světlo na jejich povrchu nevede k výrobě elektřiny, protože neexistuje žádný konkrétní směr toku elektřiny. Aby překonali tato omezení a vytvořili nová optoelektronická zařízení, vědci studují jedinečné vlastnosti elektronů ve Weylových polokovech.
„Většina fotoelektrických zařízení vyžaduje dva různé materiály k vytvoření asymetrie ve vesmíru,“ řekl Zhou, který spolupracoval s osmi kolegy z BC a dvěma výzkumníky z Nanyangské technologické univerzity v Singapuru. „Zde jsme ukázali, že prostorová asymetrie v rámci jednoho materiálu – zejména asymetrie v jeho termoelektrických transportních vlastnostech – může způsobit spontánní fotoproudy.“
Tým studoval materiály wolfram ditellurid a tantal iridium tetratellurid, které oba patří do třídy Weylových polokovů. Výzkumníci se domnívali, že tyto materiály by byly dobrými kandidáty pro generování fotoproudů, protože jejich krystalová struktura je ze své podstaty inverzně asymetrická. To znamená, že krystal se nemapuje na sebe obrácením směru kolem bodu.
Zhouova výzkumná skupina se rozhodla pochopit, proč jsou Weylské polokovy účinné při přeměně světla na elektřinu. Předchozí měření dokázala určit pouze množství elektřiny vycházející ze zařízení, jako je měření toho, kolik vody teče z dřezu do odpadní trubky. Aby bylo možné lépe porozumět původu fotoproudů, Zhouův tým se snažil vizualizovat tok elektřiny uvnitř zařízení – podobně jako vytvoření mapy vířivých vodních proudů ve dřezu.
Tým výzkumníků z Bostonské Vysoké školy zjistil, že fotoproud proudí dovnitř (znázorněno modře) podél jedné krystalové osy Weylova polokovu a vytéká (znázorněno žluto/oranžově) podél kolmé osy, což je zde znázorněno jako výsledek nové techniky, který tým vyvinul pomocí senzorů kvantového magnetického pole k vizualizaci toku elektřiny.
Foto: Zhou Lab/Boston College„V rámci projektu jsme vyvinuli novou techniku využívající senzory kvantového magnetického pole nazývané centra dusíkové vakance v diamantu, abychom zobrazili místní magnetické pole produkované fotoproudy a rekonstruovali plné proudy toku fotoproudů,“ postgraduální student Yu-Xuan. Wang, hlavní autor rukopisu, řekl.
Tým zjistil, že elektrický proud protékal ve čtyřnásobném vírovém vzoru kolem místa, kde světlo svítilo na materiál. Tým dále vizualizoval, jak je vzor cirkulujícího toku modifikován okraji materiálu, a odhalil, že přesný úhel okraje určuje, zda celkový fotoproud vytékající ze zařízení je kladný, záporný nebo nulový.
„Tyto dosud neviděné snímky toku nám umožnily vysvětlit, že mechanismus generování fotoproudu je překvapivě způsoben anizotropním fototermoelektrickým efektem – to znamená rozdíly v tom, jak se teplo přeměňuje na proud podél různých směrů Weyl v rovině polokovu,“ řekl Zhou.
Překvapivě, výskyt anizotropní tepelné energie nemusí nutně souviset s inverzní asymetrií vykazovanou Weylovými polokovy, a proto může být přítomna v jiných třídách materiálů.
„Naše zjištění otevírají nový směr pro hledání dalších vysoce fotoresponzivních materiálů,“ řekl Zhou. „Ukazuje rušivý dopad kvantově podporovaných senzorů na otevřené otázky ve vědě o materiálech.“
Zhou řekl, že budoucí projekty budou používat jedinečný fotoproudový průtokový mikroskop k pochopení původu fotoproudů v jiných exotických materiálech a k posunutí limitů v citlivosti detekce a prostorovém rozlišení.
Reference: „Vizualizace objemového a okrajového fotoproudového toku v anizotropních Weylových semimetalech“ od Yu-Xuan Wang, Xin-Yue Zhang, Chunhua Li, Xiaohan Yao, Ruihuan Duan, Thomas KM Graham, Zheng Liu, Fazel Tafti, David Broido, Ying Ran a Brian B. Zhou, 23. ledna 2023, Nature Physics .
DOI: 10.1038/s41567-022-01898-0
Studie byla financována National Science Foundation, DOE/ US Department of Energy a Air Force Office of Scientific Research.