Uma equipe liderada pelo Boston College desenvolveu um novo método de sensor quântico para visualizar e compreender a fonte do fluxo de fotocorrente em semimetais de Weyl.
Em um artigo recente publicado na revista Nature Physics, Brian Zhou, professor assistente de física no Boston College, e seus colegas descobriram um novo método surpreendente para converter luz em eletricidade em semimetais de Weyl usando sensores quânticos.
Muitas tecnologias contemporâneas, como câmeras, sistemas de fibra ótica e painéis solares, dependem da transformação da luz em sinais elétricos. No entanto, na maioria dos materiais, simplesmente iluminar sua superfície não resulta na geração de eletricidade, pois não há uma direção específica para o fluxo de eletricidade. Para superar essas limitações e criar novos dispositivos optoeletrônicos, os pesquisadores estão estudando as propriedades únicas dos elétrons nos semimetais de Weyl.
“A maioria dos dispositivos fotoelétricos requer dois materiais diferentes para criar uma assimetria no espaço”, disse Zhou, que trabalhou com oito colegas do BC e dois pesquisadores da Universidade Tecnológica de Nanyang, em Cingapura. “Aqui, mostramos que a assimetria espacial dentro de um único material – em particular a assimetria em suas propriedades de transporte termoelétrico – pode dar origem a fotocorrentes espontâneas”.
A equipe estudou os materiais ditelureto de tungstênio e tetratelureto de irídio e tântalo, ambos pertencentes à classe dos semimetais de Weyl. Os pesquisadores suspeitaram que esses materiais seriam bons candidatos para geração de fotocorrente porque sua estrutura cristalina é inerentemente assimétrica por inversão; isto é, o cristal não mapeia sobre si mesmo invertendo as direções em torno de um ponto.
O grupo de pesquisa de Zhou decidiu entender por que os semimetais de Weyl são eficientes na conversão de luz em eletricidade. Medições anteriores só podiam determinar a quantidade de eletricidade que sai de um dispositivo, como medir quanta água flui de uma pia para um cano de esgoto. Para entender melhor a origem das fotocorrentes, a equipe de Zhou procurou visualizar o fluxo de eletricidade dentro do dispositivo – semelhante a fazer um mapa das correntes de água em redemoinho na pia.
“Como parte do projeto, desenvolvemos uma nova técnica usando sensores de campo magnético quântico chamados centros de vacância de nitrogênio em diamante para gerar imagens do campo magnético local produzido pelas fotocorrentes e reconstruir as linhas de corrente completas do fluxo da fotocorrente”, disse o estudante de pós-graduação Yu-Xuan Wang, principal autor do manuscrito, disse.
A equipe descobriu que a corrente elétrica fluiu em um padrão de vórtice quádruplo ao redor de onde a luz incidiu sobre o material. A equipe visualizou ainda mais como o padrão de fluxo circulante é modificado pelas bordas do material e revelou que o ângulo preciso da borda determina se a fotocorrente total que sai do dispositivo é positiva, negativa ou zero.
“Essas imagens de fluxo nunca antes vistas nos permitiram explicar que o mecanismo de geração de fotocorrente é surpreendentemente devido a um efeito fototermoelétrico anisotrópico – ou seja, diferenças em como o calor é convertido em corrente ao longo das diferentes direções no plano do Weyl semimetal”, disse Zhou.
Surpreendentemente, o aparecimento de termopotência anisotrópica não está necessariamente relacionado à assimetria de inversão exibida pelos semimetais de Weyl e, portanto, pode estar presente em outras classes de materiais.
“Nossas descobertas abrem uma nova direção para a busca de outros materiais altamente fotorresponsivos”, disse Zhou. “Ele mostra o impacto disruptivo dos sensores quânticos em questões em aberto na ciência dos materiais.”
Zhou disse que os projetos futuros usarão o microscópio de fluxo fotocorrente exclusivo para entender as origens das fotocorrentes em outros materiais exóticos e ampliar os limites da sensibilidade de detecção e resolução espacial.
Publicado em 07/03/2023 20h16
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