波士顿学院研究小组利用量子传感器揭示了Weyl光电流的流动方式
发布时间：2023-02-10 11:02:13 阅读数： 169
波士顿学院的一个研究小组发现，光电流沿着Weyl半金属的一条晶轴流入（蓝色图示），并沿着垂直轴流出（黄色/橙色图示），这里表示的是该小组利用量子磁场传感器开发的一种新技术来观察电流的流动情况。资料来源：波士顿学院Zhou实验室
波士顿学院（BC）物理学助理教授Brian Zhou及其同事在《自然-物理学》杂志上报告说，量子传感器可以被用来揭示一种在Weyl半金属中将光转化为电的惊人的新机制。
许多现代技术，如照相机、光纤网络和太阳能电池，都依赖于将光转换为电信号。但是对于大多数材料来说，将光照到它们的表面不会产生任何电力，因为没有首选的电力流动方向。韦尔半金属中电子的独特属性使它们成为研究人员试图克服这些限制和开发新型光电设备的焦点。
"大多数光电设备需要两种不同的材料来创造空间的不对称性，"周说，他与不列颠哥伦比亚省的八位同事和新加坡南洋理工大学的两位研究人员合作。"在这里，我们表明，单一材料内的空间不对称性--特别是其热电传输特性的不对称性--可以引起自发的光电流。"
该团队研究了二碲化钨和四碲化钽材料，这两种材料都属于Weyl半金属类。研究人员怀疑这些材料将是产生光电流的良好候选材料，因为它们的晶体结构是固有的反转不对称的；也就是说，晶体不会通过围绕一个点的反转方向映射到自身。
Zhou的研究小组着手了解为什么Weyl半金属能有效地将光转化为电能。以前的测量只能确定从一个设备出来的电量，就像测量有多少水从水槽流进排水管一样。为了更好地了解光电流的来源，周的团队试图将设备内的电流可视化--类似于绘制水槽中的水流漩涡图。
"作为项目的一部分，我们开发了一种新技术，使用称为钻石中的氮空穴中心的量子磁场传感器，对光电流产生的局部磁场进行成像，并重建光电流流动的全部流线，"手稿的主要作者，研究生王宇轩说。
研究小组发现，电流在光照到材料的地方以四倍的涡流模式流动。研究小组进一步观察了循环流动模式如何被材料的边缘所改变，并发现边缘的精确角度决定了流出设备的总光电流是正的、负的还是零。
"周说："这些从未见过的流动图像使我们能够解释，光电流的产生机制竟然是由于各向异性的光热电效应--也就是说，沿着Weyl半金属的不同面内方向，热量如何转化为电流的差异。
令人惊讶的是，各向异性热电的出现并不一定与Weyl半金属所显示的反转不对称性有关，因此，可能存在于其他类别的材料。
"周说："我们的发现为寻找其他高光敏性材料开辟了一个新的方向。"它展示了量子化传感器对材料科学中开放问题的颠覆性影响。"
周说，未来的项目将使用独特的光电流流动显微镜来了解其他奇异材料中光电流的起源，并推动检测灵敏度和空间分辨率的极限。
更多信息：Yu-Xuan Wang et al, Visualization of bulk and edge photocurrent flow in anisotropic Weyl semimetals, Nature Physics (2023). DOI: 10.1038/s41567-022-01898-0
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