Многие современные технологии, такие как камеры, волоконно-оптические системы и солнечные батареи, основаны на преобразовании света в электрические сигналы. Однако в большинстве материалов простое попадание света на их поверхность не приводит к выработке электричества, поскольку нет определенного направления для его потока. Чтобы преодолеть эти ограничения и создать новые оптоэлектронные устройства, исследователи изучают уникальные свойства электронов в полуметаллах Вейля.
Команда изучила материалы дителлурид вольфрама и тетрателлурид тантала иридия — оба принадлежат к классу полуметаллов Вейля. Исследователи подозревали, что эти материалы могут быть хорошими кандидатами для генерации фототока, потому что их кристаллическая структура по своей природе инверсионно-асимметрична; иными словами, кристалл не отображает сам себя, меняя направление вокруг точки на противоположное.
Исследовательская группа решила разобраться: почему полуметаллы Вейля эффективны при преобразовании света в электричество? Предыдущие измерения могли определить только количество электричества, выходящего из устройства, подобно измерению того, сколько воды течет из раковины в водосточную трубу. Чтобы лучше понять происхождение фототоков, команда стремилась визуализировать поток электричества внутри устройства — подобно составлению карты вихревых потоков воды в раковине.
В рамках проекта ученые разработали новый метод с использованием квантовых датчиков магнитного поля, называемых центрами азота и вакансий в алмазе, для отображения локального магнитного поля, создаваемого фототоками, и реконструкции полных линий тока потока фототока.
Команда обнаружила, что электрический ток течет в виде четырехкратного вихря вокруг того места, где свет падал на материал. Команда также визуализировала, как картина циркулирующего потока изменяется краями материала, и показала, что точный угол края определяет, будет ли общий фототок, вытекающий из устройства, положительным, отрицательным или нулевым.
Эти невиданные ранее изображения потока позволили объяснить, что механизм генерации фототока неожиданно обусловлен анизотропным фототермоэлектрическим эффектом, то есть различиями в том, как тепло преобразуется в ток вдоль различных направлений в плоскости Вейля.
Удивительно, но появление анизотропной термоЭДС не обязательно связано с инверсионной асимметрией, проявляемой полуметаллами Вейля, и, следовательно, может присутствовать в других классах материалов.
По словам авторов, результаты открывают новое направление для поиска других материалов с высокой светочувствительностью. Работа демонстрирует революционное влияние квантовых датчиков на открытые вопросы в материаловедении.
