L’équipe utilise des capteurs quantiques pour révéler comment les photocourants de Weyl circulent

Les capteurs quantiques peuvent être utilisés pour révéler un nouveau mécanisme surprenant de conversion de la lumière en électricité dans les semi-métaux de Weyl, selon le professeur adjoint de physique du Boston College (BC) Brian Zhou et ses collègues dans le journal Physique naturelle.

Un certain nombre de technologies modernes, telles que les caméras, les réseaux de fibres optiques et les cellules solaires, reposent sur la conversion de la lumière en signaux électriques. Mais avec la plupart des matériaux, faire briller une lumière sur leur surface ne générera pas d’électricité car il n’y a pas de direction préférée pour que l’électricité circule. Les propriétés uniques des électrons dans les semi-métaux de Weyl en ont fait un centre d’intérêt pour les chercheurs qui tentent de surmonter ces limites et de développer de nouveaux dispositifs optoélectroniques.

“La plupart des appareils photoélectriques nécessitent deux matériaux différents pour créer une asymétrie dans l’espace”, a déclaré Zhou, qui a travaillé avec huit collègues de la Colombie-Britannique et deux chercheurs de l’Université technologique de Nanyang à Singapour. “Ici, nous avons montré que l’asymétrie spatiale au sein d’un même matériau, en particulier l’asymétrie dans ses propriétés de transport thermoélectrique, peut donner lieu à des photocourants spontanés.”

L’équipe a étudié les matériaux ditellurure de tungstène et tétratellurure de tantale iridium, qui appartiennent tous deux à la classe des semi-métaux de Weyl. Les chercheurs ont soupçonné que ces matériaux seraient de bons candidats pour photocourant génération parce que leur structure en cristal est intrinsèquement asymétrique d’inversion ; c’est-à-dire que le cristal ne se mappe pas sur lui-même en inversant les directions autour d’un point.

Le groupe de recherche de Zhou a entrepris de comprendre pourquoi les semi-métaux de Weyl sont efficaces pour convertir la lumière en électricité. Les mesures précédentes ne pouvaient que déterminer la quantité d’électricité sortant d’un appareil, comme mesurer la quantité d’eau qui coule d’un évier dans un tuyau d’évacuation. Pour mieux comprendre l’origine des photocourants, l’équipe de Zhou a cherché à visualiser le flux d’électricité à l’intérieur de l’appareil, comme pour faire une carte des courants d’eau tourbillonnants dans l’évier.

“Dans le cadre du projet, nous avons développé une nouvelle technique utilisant la technologie quantique capteurs de champ magnétique appelés centres de lacune d’azote dans le diamant pour imager le champ magnétique local produit par les photocourants et reconstruire les lignes de courant complètes du flux de photocourant », a déclaré l’étudiant diplômé Yu-Xuan Wang, auteur principal du manuscrit.

L’équipe a découvert que le courant électrique circulait dans un motif de vortex quadruple autour de l’endroit où la lumière brillait sur le matériau. L’équipe a en outre visualisé comment le modèle d’écoulement circulant est modifié par les bords du matériau et a révélé que l’angle précis du bord détermine si le photocourant total sortant de l’appareil est positif, négatif ou nul.

“Ces images d’écoulement inédites nous ont permis d’expliquer que le mécanisme de génération de photocourant est étonnamment dû à un effet photothermoélectrique anisotrope, c’est-à-dire des différences dans la façon dont la chaleur est convertie en courant le long des différentes directions dans le plan du Weyl semi-métal”, a déclaré Zhou.

Étonnamment, l’apparition de la thermopuissance anisotrope n’est pas nécessairement liée à l’asymétrie d’inversion affichée par les semi-métaux de Weyl et, par conséquent, peut être présente dans d’autres classes de matériaux.

“Nos découvertes ouvrent une nouvelle direction pour la recherche d’autres matériaux hautement photosensibles”, a déclaré Zhou. “Il présente l’impact perturbateur des capteurs quantiques sur des questions ouvertes en science des matériaux.”

Zhou a déclaré que les futurs projets utiliseront le microscope à flux de photocourant unique pour comprendre les origines des photocourants dans d’autres matériaux exotiques et pour repousser les limites de la sensibilité de détection et de la résolution spatiale.