波士頓學院的一組研究人員發(fā)現(xiàn)，光電流沿著Weyl半金屬的一個晶體軸流入（用藍色表示），并沿著垂直軸流出（用黃色/橙色表示），這里表示為團隊開發(fā)的一種新技術使用量子磁場傳感器來可視化電流。來源：波士頓學院周實驗室

量子傳感器可用于揭示W(wǎng)eyl半金屬中將光轉化為電能的令人驚訝的新機制，波士頓學院（BC）物理學助理教授Brian Zhou及其同事在《自然物理學》雜志上報道。

許多現(xiàn)代技術，如相機、光纖網(wǎng)絡和太陽能電池，都依賴于將光轉換為電信號。但是對于大多數(shù)材料，將光照射到它們的表面上不會產(chǎn)生任何電力，因為電流沒有方向。外爾半金屬中電子的獨特性質使其成為試圖克服這些限制并開發(fā)新型光電器件的研究人員的要點。

“大多數(shù)光電器件需要兩種不同的材料才能在太空中產(chǎn)生不對稱性，”周說，他與八位BC同事和新加坡南洋理工大學的兩名研究人員一起工作�！霸谶@里，我們表明，單一材料內(nèi)的空間不對稱性 - 特別是其熱電傳輸特性的不對稱性 - 可以產(chǎn)生自發(fā)的光電流。

該團隊研究了材料二碲化鎢和銥四碲化物，它們都屬于Weyl半金屬類。研究人員懷疑這些材料將是產(chǎn)生光電流的良好候選者，因為它們的晶體結構本質上是不對稱的反轉;也就是說，晶體不會通過反轉圍繞一個點的方向來映射到自身。

周的研究小組著手了解為什么Weyl半金屬可以有效地將光轉化為電能。以前的測量只能確定從設備流出的電量，例如測量有多少水從水槽流入排水管。為了更好地了解光電流的起源，周的團隊試圖可視化設備內(nèi)的電流 - 類似于制作水槽中旋轉水流的地圖。

“作為該項目的一部分，我們開發(fā)了一種新技術，使用稱為金剛石氮空位中部的量子磁場傳感器對光電流產(chǎn)生的局部磁場進行成像，并重建光電流的完整流線，”研究生Yu-Xuan Wang說。

研究小組發(fā)現(xiàn)電流以四重渦旋模式流動，周圍是光線照射在材料上的地方。該團隊進一步可視化了材料邊緣如何改變循環(huán)流動模式，并揭示了邊緣的準確角度決定了流出器件的總光電流是正、負還是零。

“這些前所未見的流動圖像使我們能夠解釋光電流產(chǎn)生機制令人驚訝地是由于各向異性光熱電效應 - 也就是說，熱量如何沿著Weyl半金屬的不同面內(nèi)方向轉換為電流的差異，”周說。

令人驚訝的是，各向異性熱能的出現(xiàn)不一定與Weyl半金屬表現(xiàn)出的反演不對稱性有關，因此可能存在于其他類別的材料中。

“我們的發(fā)現(xiàn)為尋找其他高度光響應材料開辟了一個新的方向，”周說�！八�展示了量子傳感器對材料科學開放問題的破壞性影響。

周說，未來的項目將使用獨特的光電流流動顯微鏡來了解其他外來材料中光電流的起源，并突破檢測靈敏度和空間分辨率的極限。