团队使用量子传感器揭示外尔光电流如何流动

波士顿学院的一组研究人员发现，光电流沿着Weyl半金属的一个晶体轴流入（用蓝色表示），并沿着垂直轴流出（用黄色/橙色表示），这里表示为团队开发的一种新技术使用量子磁场传感器来可视化电流。来源：波士顿学院周实验室

量子传感器可用于揭示Weyl半金属中将光转化为电能的令人惊讶的新机制，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》杂志上报道。

许多现代技术，如相机、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，将光照射到它们的表面上不会产生任何电力，因为电流没有方向。外尔半金属中电子的独特性质使其成为试图克服这些限制并开发新型光电器件的研究人员的要点。

“大多数光电器件需要两种不同的材料才能在太空中产生不对称性，”周说，他与八位BC同事和新加坡南洋理工大学的两名研究人员一起工作。“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 - 可以产生自发的光电流。

该团队研究了材料二碲化钨和铱四碲化物，它们都属于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者，因为它们的晶体结构本质上是不对称的反转;也就是说，晶体不会通过反转围绕一个点的方向来映射到自身。

周的研究小组着手了解为什么Weyl半金属可以有效地将光转化为电能。以前的测量只能确定从设备流出的电量，例如测量有多少水从水槽流入排水管。为了更好地了解光电流的起源，周的团队试图可视化设备内的电流 - 类似于制作水槽中旋转水流的地图。

“作为该项目的一部分，我们开发了一种新技术，使用称为金刚石氮空位中部的量子磁场传感器对光电流产生的局部磁场进行成像，并重建光电流的完整流线，”研究生Yu-Xuan Wang说。

研究小组发现电流以四重涡旋模式流动，周围是光线照射在材料上的地方。该团队进一步可视化了材料边缘如何改变循环流动模式，并揭示了边缘的准确角度决定了流出器件的总光电流是正、负还是零。

“这些前所未见的流动图像使我们能够解释光电流产生机制令人惊讶地是由于各向异性光热电效应 - 也就是说，热量如何沿着Weyl半金属的不同面内方向转换为电流的差异，”周说。

令人惊讶的是，各向异性热能的出现不一定与Weyl半金属表现出的反演不对称性有关，因此可能存在于其他类别的材料中。

“我们的发现为寻找其他高度光响应材料开辟了一个新的方向，”周说。“它展示了量子传感器对材料科学开放问题的破坏性影响。

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外来材料中光电流的起源，并突破检测灵敏度和空间分辨率的极限。