© Kenneth Burch/Boston College
Недавно обнаруженный полуметалл Вейля обеспечивает наибольшее внутреннее преобразование света в электричество, сообщает международная команда физиков во главе с группой исследователей из Бостонского колледжа в журнале Nature Materials.
Открытие основано на уникальном аспекте материала, где электроны могут быть разделены по их хиральности или управляемости — подобно ДНК. Полученные данные могут предложить новый путь к эффективному производству электроэнергии из света, а также для термического или химического зондирования.
«Мы обнаружили, что полуметаллический арсенид тантала обладает колоссальным объемным фотоэлектрическим эффектом — собственное, или нелинейное, генерирование электрического тока от света более чем в десять раз больше, чем когда-либо ранее», — сказал профессор физики Бостонского колледжа Кеннет Берч, ведущий автор исследования.
«Кроме того, это в среднем инфракрасном режиме, что означает, что этот материал может также использоваться для химического или термического зондирования, а также для утилизации отработанного тепла», — добавил Кеннет Берч.
По словам Берча, обычно свет преобразуется в электричество путем создания встроенного электрического поля в полупроводнике. «Это достигается с помощью химической модуляции и приводит к фундаментальному верхнему пределу потенциальной эффективности, известному как предел Шокли-Кейзера».
Альтернативный подход, использованный учеными, исследовал использование управляемости электронов в материале для создания постоянного тока через нелинейное смешивание световых волн.
Этот подход, как правило, был слишком мал, чтобы быть полезным. Но исследователи недавно поняли, что он тесно связан с топологическими свойствами электронов. Это подтолкнуло к предсказанию, что уникальное, похожее на ДНК поведение электронов в полуметаллах Вейля может привести к огромным нелинейным эффектам.
«Мы сосредоточились на том, чтобы ответить, соответствуют ли полуметаллы Вейля предсказаниям больших внутренних нелинейных откликов для генерации тока», — говорит Кеннет Берч. Он также добавил, что команда ученых была удивлена величиной электронного эффекта, который был спровоцирован новым подходом к изготовлению.
«Размер эффекта был намного больше, чем мы предполагали», — сказал Берч. «Предыдущая группа из Массачусетского технологического института обнаружила, что в их реакции преобладают термические или внешние условия, использование нами устройств, сфокусированных на ионных пучках, и симметрия позволили нам обнаружить колоссальный объемный фотоэлектрический эффект при комнатной температуре».
Кеннет Берч сказал, что сейчас команда физиков работает над тем, чтобы определить «золотую середину» для эффекта, в частности, какова идеальная конфигурация устройства и длина волны света.
Colossal mid-infrared bulk photovoltaic effect in a type-I Weyl semimetal, Nature Materials (2019). DOI: 10.1038/s41563-019-0297-4 , https://www.nature.com/articles/s41563-019-0297-4