由波士頓學(xué)院一組研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)國(guó)際研究小組2019年3月4日在《自然材料》上報(bào)告表示，最近發(fā)現(xiàn)的威爾半金屬是所有材料中，將光轉(zhuǎn)化為電的固有轉(zhuǎn)換量最大的。這一發(fā)現(xiàn)基于該材料的一個(gè)獨(dú)特方面，即電子可以通過(guò)其手性來(lái)分離。

這一發(fā)現(xiàn)可能為光高效發(fā)電以及熱或化學(xué)傳感提供一條新途徑。波士頓學(xué)院物理學(xué)副教授Kenneth Burch說(shuō)：我們發(fā)現(xiàn)，Weyl半金屬砷化鉭具有巨大的體積光伏效應(yīng)：一種內(nèi)在的，或者說(shuō)非線性光產(chǎn)生的電流比以往任何時(shí)候都要大十倍以上。

博科園-科學(xué)科普：此外這是在中紅外狀態(tài)，這意味著這種材料也可以用于化學(xué)或熱感測(cè)，以及余熱回收。通常情況下，光通過(guò)在半導(dǎo)體中創(chuàng)造一個(gè)內(nèi)置電場(chǎng)來(lái)轉(zhuǎn)換成電能。這是通過(guò)化學(xué)調(diào)制實(shí)現(xiàn)，并導(dǎo)致潛在效率的一個(gè)基本上限，即所謂的震蕩奎塞爾極限。研究小組采用的另一種方法是利用材料中電子的旋向性，通過(guò)光波的非線性混合產(chǎn)生本質(zhì)上的直流電。這種方法通常太小，用處不大。但研究人員最近意識(shí)到它與電子的拓?fù)湫再|(zhì)密切相關(guān)。這促使人們預(yù)測(cè)，在威爾半金屬中，電子獨(dú)特的、類似手性的行為可能產(chǎn)生巨大非線性效應(yīng)。

Burch與洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的Philip Moll以及加州大學(xué)洛杉磯分校的Ni Ni共同撰寫了這篇論文：致力于回答Weyl semmetals是否符合產(chǎn)生電流的巨大固有非線性響應(yīng)的預(yù)測(cè)。研究小組對(duì)電子效應(yīng)的強(qiáng)度感到驚訝，這是由一種新的制造方法引起。這種影響的程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了想象，來(lái)自麻省理工學(xué)院的前一組研究人員發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)主要是由熱能或外部條件決定，使用的聚焦離子束制造設(shè)備和對(duì)稱性使我們能夠發(fā)現(xiàn)室溫下巨大的體積光伏效應(yīng)。研究小組正在努力確定這種效果的“最佳點(diǎn)”，具體來(lái)說(shuō)就是理想的設(shè)備配置和光的波長(zhǎng)。

新研究高效、快速地將光轉(zhuǎn)換為電對(duì)傳感和清潔能源至關(guān)重要。體積光電效應(yīng)(BPVE)是一種二階非線性光學(xué)效應(yīng)，本質(zhì)上是將光轉(zhuǎn)化為電流。在Weyl半金屬TaAs的微觀器件中一個(gè)大的中紅外BPVE。這一發(fā)現(xiàn)是結(jié)合了最近在Weyl半金屬，聚焦離子束制造和理論工作的發(fā)展，表明了BPVE和拓?fù)渲g的聯(lián)系。還提出了一個(gè)詳細(xì)的對(duì)稱分析，使我們能夠分離位移電流響應(yīng)從光熱效應(yīng)。給定位移電流的大小和波長(zhǎng)范圍可能會(huì)影響光學(xué)探測(cè)器、清潔能源和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并證明Weyl半金屬在實(shí)際應(yīng)用中的實(shí)用性。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來(lái)自: 波士頓學(xué)院

參考期刊文獻(xiàn):《Nature Materials》

DOI: 10.1038/s41563-019-0297-4

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