波士頓學(xué)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(lán)色表示），并沿著垂直軸流出（用黃色/橙色表示），這里表示為團(tuán)隊開發(fā)的一種新技術(shù)使用量子磁場傳感器來可視化電流。來源：波士頓學(xué)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(zhuǎn)化為電能的令人驚訝的新機(jī)制，波士頓學(xué)院（BC）物理學(xué)助理教授Brian Zhou及其同事在《自然物理學(xué)》雜志上報道。

許多現(xiàn)代技術(shù)，如相機(jī)、光纖網(wǎng)絡(luò)和太陽能電池，都依賴于將光轉(zhuǎn)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(dú)特性質(zhì)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(diǎn)。

“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(xué)的兩名研究人員一起工作。“在這里，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(tuán)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(jié)構(gòu)本質(zhì)上是不對稱的反轉(zhuǎn);也就是說，晶體不會通過反轉(zhuǎn)圍繞一個點(diǎn)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(zhuǎn)化為電能。以前的測量只能確定從設(shè)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(tuán)隊試圖可視化設(shè)備內(nèi)的電流 - 類似于制作水槽中旋轉(zhuǎn)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(shù)，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(jìn)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(tuán)隊進(jìn)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(zhǔn)確角度決定了流出器件的總光電流是正、負(fù)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(jī)制令人驚訝地是由于各向異性光熱電效應(yīng) - 也就是說，熱量如何沿著Weyl半金屬的不同面內(nèi)方向轉(zhuǎn)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(guān)，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(yīng)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(xué)開放問題的破壞性影響。

周說，未來的項目將使用獨(dú)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。