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Une équipe dirigée par le Boston College a mis au point une nouvelle méthode de capteur quantique pour imager et comprendre la source du flux de photocourant dans les semi-métaux de Weyl.

Dans un récent article publié dans la revue <span class= »glossaryLink » aria-depressedby= »tt » data-cmtooltip= »

Physique naturelle

Comme son nom l’indique, Nature Physics est une revue scientifique à comité de lecture couvrant la physique et publiée par Nature Research. Il a été publié pour la première fois en octobre 2005 et sa couverture mensuelle comprend des articles, des lettres, des critiques, des faits saillants de la recherche, des nouvelles et des points de vue, des commentaires, des critiques de livres et de la correspondance.

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”>Physique de la nature, Brian Zhou, professeur adjoint de physique à Collège de Bostonet ses collègues ont découvert une nouvelle méthode surprenante pour convertir la lumière en électricité dans les semi-métaux de Weyl à l’aide de capteurs quantiques.


De nombreuses technologies contemporaines telles que les caméras, les systèmes à fibre optique et les panneaux solaires reposent sur la transformation de la lumière en signaux électriques. Cependant, dans la plupart des matériaux, le simple fait d’éclairer leur surface n’entraîne pas la génération d’électricité car il n’y a pas de direction spécifique pour le flux d’électricité. Pour surmonter ces limitations et créer de nouveaux dispositifs optoélectroniques, les chercheurs étudient les propriétés uniques des électrons dans les semi-métaux de Weyl.

« La plupart des appareils photoélectriques nécessitent deux matériaux différents pour créer une asymétrie dans l’espace », a déclaré Zhou, qui a travaillé avec huit collègues de la Colombie-Britannique et deux chercheurs de l’Université technologique de Nanyang à Singapour. « Ici, nous avons montré que l’asymétrie spatiale au sein d’un même matériau – en particulier l’asymétrie dans ses propriétés de transport thermoélectrique – peut donner lieu à des photocourants spontanés. »

L’équipe a étudié les matériaux ditellurure de tungstène et tétratellurure de tantale iridium, qui appartiennent tous deux à la classe des semi-métaux de Weyl. Les chercheurs ont soupçonné que ces matériaux seraient de bons candidats pour la génération de photocourants car leur structure cristalline est intrinsèquement asymétrique par inversion ; c’est-à-dire que le cristal ne se mappe pas sur lui-même en inversant les directions autour d’un point.


Le groupe de recherche de Zhou a entrepris de comprendre pourquoi les semi-métaux de Weyl sont efficaces pour convertir la lumière en électricité. Les mesures précédentes ne pouvaient que déterminer la quantité d’électricité sortant d’un appareil, comme mesurer la quantité d’eau qui coule d’un évier dans un tuyau d’évacuation. Pour mieux comprendre l’origine des photocourants, l’équipe de Zhou a cherché à visualiser le flux d’électricité à l’intérieur de l’appareil, comme pour faire une carte des courants d’eau tourbillonnants dans l’évier.

« Dans le cadre du projet, nous avons développé une nouvelle technique utilisant des capteurs de champ magnétique quantique appelés centres de vide d’azote dans le diamant pour imager le champ magnétique local produit par les photocourants et reconstruire les lignes de courant complètes du flux de photocourant », étudiant diplômé Yu-Xuan Wang, auteur principal du manuscrit, a déclaré.

L’équipe a découvert que le courant électrique circulait dans un motif de vortex quadruple autour de l’endroit où la lumière brillait sur le matériau. L’équipe a en outre visualisé comment le modèle d’écoulement circulant est modifié par les bords du matériau et a révélé que l’angle précis du bord détermine si le photocourant total sortant de l’appareil est positif, négatif ou nul.

« Ces images d’écoulement inédites nous ont permis d’expliquer que le mécanisme de génération de photocourant est étonnamment dû à un effet photothermoélectrique anisotrope – c’est-à-dire des différences dans la façon dont la chaleur est convertie en courant le long des différentes directions dans le plan du Weyl semi-métal », a déclaré Zhou.


Étonnamment, l’apparition de la thermopuissance anisotrope n’est pas nécessairement liée à l’asymétrie d’inversion affichée par les semi-métaux de Weyl et, par conséquent, peut être présente dans d’autres classes de matériaux.

« Nos découvertes ouvrent une nouvelle direction pour la recherche d’autres matériaux hautement photosensibles », a déclaré Zhou. « Il met en valeur l’impact perturbateur des capteurs quantiques sur des questions ouvertes en science des matériaux. »

Zhou a déclaré que les futurs projets utiliseront le microscope à flux de photocourant unique pour comprendre les origines des photocourants dans d’autres matériaux exotiques et pour repousser les limites de la sensibilité de détection et de la résolution spatiale.

Référence : « Visualisation du flux de photocourant de masse et de bord dans les semi-métaux anisotropes de Weyl » par Yu-Xuan Wang, Xin-Yue Zhang, Chunhua Li, Xiaohan Yao, Ruihuan Duan, Thomas KM Graham, Zheng Liu, Fazel Tafti, David Broido, Ying Ran et Brian B. Zhou, 23 janvier 2023, Physique naturelle.
DOI : 10.1038/s41567-022-01898-0


L’étude a été financée par la National Science Foundation, le DOE/US Department of Energy et l’Air Force Office of Scientific Research.