Cómo convertir la luz en electricidad: presentan nuevo método

• Un equipo dirigido por el Boston College ha ideado un nuevo método de sensor cuántico para obtener imágenes y comprender la fuente del flujo de fotocorriente en los semimetales de Weyl

En un artículo reciente publicado en la revista Nature Physics, Brian Zhou, profesor asistente de física en el Boston College, y sus colegas descubrieron un método nuevo y sorprendente para convertir la luz en electricidad en semimetales de Weyl utilizando sensores cuánticos.

A surprising discovery at @BostonCollege: A new way to convert light into electricity!https://t.co/ERfH53iE0T #WeAreBC #EverToExcel pic.twitter.com/ErroNkGpJQ

— BC Alumni (@BCAlumni) March 3, 2023

Muchas tecnologías contemporáneas, como cámaras, sistemas de fibra óptica y paneles solares, se basan en la transformación de la luz en señales eléctricas. Sin embargo, en la mayoría de los materiales, la simple proyección de luz sobre su superficie no da como resultado la generación de electricidad, ya que no existe una dirección específica para el flujo de electricidad. Para superar estas limitaciones y crear nuevos dispositivos optoelectrónicos, los investigadores están estudiando las propiedades únicas de los electrones en los semimetales de Weyl.
“La mayoría de los dispositivos fotoeléctricos requiere dos materiales diferentes para crear una asimetría en el espacio”, dijo Zhou, quien trabajó con ocho colegas de BC y dos investigadores de la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur. “Demostramos que la asimetría espacial dentro de un solo material, en particular la asimetría en sus propiedades de transporte termoeléctrico, puede dar lugar a fotocorrientes espontáneas”.
El equipo estudió los materiales ditellurida de tungsteno y tetratellurida de tantalio e iridio, que pertenecen a la clase de semimetales de Weyl. Los investigadores han sospechado que estos materiales serían buenos candidatos para la generación de fotocorriente porque su estructura cristalina es inherentemente asimétrica de inversión; es decir, el cristal no se mapea sobre sí mismo invirtiendo las direcciones alrededor de un punto.
El grupo de investigación de Zhou se propuso comprender por qué los semimetales de Weyl son eficientes para convertir la luz en electricidad. Las mediciones anteriores solo podían determinar la cantidad de electricidad que sale de un dispositivo, como medir la cantidad de agua que fluye de un fregadero a un desagüe. Para comprender mejor el origen de las fotocorrientes, el equipo de Zhou buscó visualizar el flujo de electricidad dentro del dispositivo, de manera similar a hacer un mapa de las corrientes de agua arremolinadas en el fregadero.
«Como parte del proyecto, desarrollamos una nueva técnica utilizando sensores de campo magnético cuántico llamados centros de vacantes de nitrógeno en diamantes para obtener imágenes del campo magnético local producido por las fotocorrientes y reconstruir las líneas de corriente completas del flujo de fotocorriente», dijo el estudiante graduado Yu-Xuan Wang, autor principal del manuscrito.
El equipo descubrió que la corriente eléctrica fluía en un patrón de vórtice cuádruple alrededor del cual brillaba luz sobre el material. El equipo visualizó además cómo los bordes del material modifican el patrón de flujo circulante y reveló que el ángulo preciso del borde determina si la fotocorriente total que sale del dispositivo es positiva, negativa o cero.
“Estas imágenes de flujo nunca antes vistas nos permitieron explicar que el mecanismo de generación de fotocorriente se debe sorprendentemente a un efecto fototermoeléctrico anisotrópico, es decir, diferencias en cómo el calor se convierte en corriente a lo largo de las diferentes direcciones en el plano del semimetal Weyl”, dijo Zhou.
Sorprendentemente, la aparición de energía térmica anisotrópica no está necesariamente relacionada con la asimetría de inversión mostrada por los semimetales de Weyl y, por lo tanto, puede estar presente en otras clases de materiales.
“Nuestros hallazgos abren una nueva dirección para la búsqueda de otros materiales altamente sensibles a la luz”, dijo Zhou. “Muestra el impacto disruptivo de los sensores cuánticos habilitados a las preguntas abiertas en la ciencia de los materiales”.
Zhou dijo que los proyectos futuros utilizarán el exclusivo microscopio de flujo de fotocorriente para comprender los orígenes de las fotocorrientes en otros materiales exóticos y superar los límites en la sensibilidad de detección y la resolución espacial.
Referencia “Visualization of bulk and edge photocurrent flow in anisotropic Weyl semimetals” by Yu-Xuan Wang, Xin-Yue Zhang, Chunhua Li, Xiaohan Yao, Ruihuan Duan, Thomas K. M. Graham, Zheng Liu, Fazel Tafti, David Broido, Ying Ran and Brian B. Zhou, 23 January 2023, Nature Physics.
El estudio fue financiado por la Fundación Nacional de Ciencias, el DOE/Departamento de Energía de EE. UU. y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea.
Fuente: Scitechdaily