波士顿学院物理学助理教授 Brian Zhou 及其同事在《自然物理学》杂志上报告称，量子传感器可用于揭示 Weyl 半金属将光转化为电的令人惊讶的新机制。
相机、光纤网络和太阳能电池等许多现代技术都依赖于将光信号转换为电信号。但是对于大多数材料，将光照射到它们的表面不会产生任何电流，因为电流没有首选的流动方向。Weyl 半金属中电子的独特性质使它们成为研究人员试图克服这些限制并开发新型光电器件的焦点。
“大多数光电设备需要两种不同的材料才能在空间中产生不对称性，”周说，他与八名 BC 同事和两名来自新加坡南洋理工大学的研究人员合作。“在这里，我们证明了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——会产生自发光电流。”
该团队研究了二碲化钨和四碲化钽铱这两种材料，它们都属于外尔半金属类。研究人员怀疑这些材料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反转不对称的;也就是说，晶体不会通过反转某个点的方向来映射到自身。
Zhou 的研究小组着手了解为什么外尔半金属能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，例如测量从水槽流入排水管的水量。为了更好地了解光电流的来源，Zhou 的团队试图可视化设备内的电流——类似于绘制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，使用称为金刚石中氮空位中心的量子磁场传感器来成像光电流产生的局部磁场并重建光电流的完整流线，”研究生 Yu-Xuan手稿的第一作者王说。
该团队发现电流以四重涡流模式围绕光线照射在材料上的位置流动。该团队进一步可视化了材料边缘如何改变循环流动模式，并揭示了边缘的精确角度决定了流出设备的总光电流是正、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的产生机制令人惊讶地归因于各向异性的光热电效应——也就是说，沿着 Weyl 的不同面内方向将热量转换为电流的方式存在差异半金属，”周说。
令人惊讶的是，各向异性热电势的出现不一定与 Weyl 半金属显示的反转不对称性相关，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敏材料开辟了新方向，”周说。“它展示了量子传感器对材料科学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显微镜来了解其他奇异材料中光电流的来源，并突破检测灵敏度和空间分辨率的极限。
除 Zhou 和 Wang 外，“各向异性外尔半金属中体积和边缘光电流的可视化”报告的共同作者还包括波士顿学院物理学副教授 Ying Ran、物理学教授 David Broido 和物理学助理教授 Fazel Tafti;研究生 Xin-Yue Zhang、Thomas Graham 和 Xiaohan Yao;和博士后研究员李春华;以及南洋理工大学教授刘征和博士后研究员段瑞环。
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