Trong một bài báo gần đây đăng trên tạp chí Nature Physics , Brian Zhou, Trợ lý Giáo sư Vật lý tại Đại học Boston , và các đồng nghiệp của ông đã phát hiện ra một phương pháp mới đáng ngạc nhiên để chuyển đổi ánh sáng thành điện năng trong bán kim loại Weyl sử dụng cảm biến lượng tử.

Nhiều công nghệ hiện đại như máy ảnh, hệ thống cáp quang và tấm pin mặt trời dựa trên sự chuyển đổi ánh sáng thành tín hiệu điện. Tuy nhiên, trong hầu hết các vật liệu, chỉ cần chiếu ánh sáng lên bề mặt của chúng sẽ không dẫn đến việc tạo ra điện vì không có hướng cụ thể cho dòng điện. Để khắc phục những hạn chế này và tạo ra các thiết bị quang điện tử mới, các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu các tính chất độc đáo của các electron trong bán kim loại Weyl.

Zhou, người đã làm việc với tám đồng nghiệp BC và hai nhà nghiên cứu từ Đại học Công nghệ Nanyang ở Singapore, cho biết: “Hầu hết các thiết bị quang điện đều yêu cầu hai vật liệu khác nhau để tạo ra sự bất đối xứng trong không gian. “Ở đây, chúng tôi đã chỉ ra rằng sự bất đối xứng về không gian trong một vật liệu đơn lẻ – đặc biệt là sự bất đối xứng trong các đặc tính vận chuyển nhiệt điện của nó – có thể làm phát sinh các dòng quang tự phát.”

Nhóm đã nghiên cứu các vật liệu vonfram ditellurua và tantali iridi tetratellurua, cả hai đều thuộc loại bán kim loại Weyl. Các nhà nghiên cứu đã nghi ngờ rằng những vật liệu này sẽ là ứng cử viên sáng giá cho việc tạo ra dòng quang vì cấu trúc tinh thể của chúng vốn đã đảo ngược không đối xứng; điều đó có nghĩa là, tinh thể không ánh xạ lên chính nó bằng cách đảo ngược hướng về một điểm.

Nhóm nghiên cứu của Zhou bắt đầu tìm hiểu tại sao bán kim loại Weyl lại hiệu quả trong việc chuyển đổi ánh sáng thành điện năng. Các phép đo trước đây chỉ có thể xác định lượng điện phát ra từ một thiết bị, chẳng hạn như đo lượng nước chảy từ bồn rửa vào ống thoát nước. Để hiểu rõ hơn về nguồn gốc của các dòng quang điện, nhóm của Zhou đã tìm cách hình dung dòng điện bên trong thiết bị – tương tự như lập bản đồ các dòng nước xoáy trong bồn rửa.

“Là một phần của dự án, chúng tôi đã phát triển một kỹ thuật mới sử dụng các cảm biến từ trường lượng tử được gọi là trung tâm chỗ trống nitơ trong kim cương để ghi lại từ trường cục bộ do các dòng quang điện tạo ra và tái tạo lại toàn bộ các dòng quang điện,” sinh viên tốt nghiệp Yu-Xuan Wang, tác giả chính của bản thảo, cho biết.

Nhóm nghiên cứu nhận thấy dòng điện chạy theo mô hình xoáy bốn lần xung quanh nơi ánh sáng chiếu vào vật liệu. Nhóm nghiên cứu đã hình dung rõ hơn về cách mô hình dòng chảy tuần hoàn được sửa đổi bởi các cạnh của vật liệu và tiết lộ rằng góc chính xác của cạnh xác định liệu tổng dòng quang chảy ra khỏi thiết bị là dương, âm hay bằng không.

“Những hình ảnh dòng chảy chưa từng thấy này cho phép chúng tôi giải thích rằng cơ chế tạo ra quang điện gây ngạc nhiên là do hiệu ứng quang nhiệt điện bất đẳng hướng – nghĩa là, sự khác biệt trong cách nhiệt được chuyển đổi thành dòng điện dọc theo các hướng trong mặt phẳng khác nhau của Weyl bán kim loại,” Zhou nói.

Điều đáng ngạc nhiên là, sự xuất hiện của nhiệt điện dị hướng không nhất thiết liên quan đến tính bất đối xứng đảo ngược được thể hiện bởi các bán kim loại Weyl, và do đó, có thể có mặt trong các loại vật liệu khác.

Zhou cho biết: “Phát hiện của chúng tôi mở ra một hướng mới để tìm kiếm các vật liệu phản ứng quang học cao khác. “Nó cho thấy tác động đột phá của các cảm biến kích hoạt lượng tử đối với các câu hỏi mở trong khoa học vật liệu.”

Zhou cho biết các dự án trong tương lai sẽ sử dụng kính hiển vi dòng quang điện độc đáo để hiểu nguồn gốc của dòng quang trong các vật liệu kỳ lạ khác và đẩy các giới hạn về độ nhạy phát hiện và độ phân giải không gian.