Et nyt regime til analyse af egenskaber af topologiske materialer

To nyere undersøgelser viser, at der er en topologisk oprindelse af to beslægtede metallegerings evne til at omdanne lys til elektrisk strøm. Ny grundforskning om rhodiummonosilicid (RhSi), udgivet i NPJ Quantum Materials, og på koboltmonosilicid (CoSi), udgivet i Naturkommunikation , kunne give en ny tilgang til udvikling af enheder såsom fotodetektorer og solceller.

Begge undersøgelser blev ledet af adjunkt Liang Wu og involverede samarbejdspartnere fra University of Fribourg, det franske nationale center for videnskabelig forskning, Max Planck Institut for Kemisk Fysik af Faststoffer, Donostia International Physics Center, University of Maryland, Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, og universitetet i Grenoble.

Wu og hans laboratorium arbejder på en række projekter, der involverer topologiske materialer, hvis underliggende teorier blev udviklet af Charlie Kane og Eugene Mele, vinderne af 2019 Breakthrough Prize in Fundamental Physics. Målet for Wu og andre forskere på dette område er at bruge disse teorier til at studere og udvikle topologiske materialer til nye applikationer og enheder.

Gruppens seneste resultater er fokuseret på måder at konvertere lys til elektrisk strøm gennem en bedre forståelse af forholdet mellem fotostrøm og topologi. Mens der tidligere var blevet udført eksperimenter på CoSi og RhSi, det, der hjalp holdet med at få ny indsigt, var brugen af ​​terahertz-emissionsspektroskopi. Dette involverer skinnende submillimeter-lyspulser for at studere et materiales respons inden for det mellem-infrarøde regime.

"Fordi vi pressede ind i dette regime, vi var i stand til at vise, at den fotogalvaniske effekt i CoSi var topologisk, " siger Wu. "Ved at lave en omhyggelig analyse, vi kan måle den fotorespons, som en teori kan beregne, så vi kan sammenligne størrelsen af ​​responsen mellem eksperiment og teori, og det blev ikke gjort tidligere."

Forskerne fandt ud af, at både CoSi og RhSis fotostrømme var rent topologiske af oprindelse, selv om dette svar i RhSi var mindre udtalt. Konklusionen i RhSi gælder ved meget lavere fotonenergi end tidligere teorier forudsagt, hvilket kunne skyldes tilstedeværelsen af ​​flere defekter i denne forbindelse.

"Disse materialer er forudsagt at have en særlig topologisk struktur i deres båndstruktur, men egentlig er gralen her at forsøge at forbinde det med nogle eksperimentelle observerbare, " siger Mele, en medforfatter på Naturkommunikation papir. "I de første par år af dette felt, der var forsøg på at gøre dette, og jeg tror, ​​at Liangs arbejde virkelig er det mest omhyggelige arbejde, der præciserer, hvad det er, du skal bruge for at se det fænomen."

Ud over dets topologiske oprindelse, Hvad der også var interessant for Wu var, hvor høj fotostrømmen af ​​CoSi i det mellem-infrarøde regime var højere end hvad der tidligere var blevet observeret i andre typer materialer med chirale strukturer. Dette er noget, der kan muliggøre nye tilgange til fremstilling af enheder, såsom fotodetektorer, der kan fungere i dette regime.

"Denne undersøgelse vil potentielt muliggøre nye elektroniske enhedskoncepter baseret på disse nye topologiske materialer, der forbruger mindre strøm, er mere energieffektive, og i sidste ende føre til nye elektroniske systemer med forbedret størrelse, vægt, og magt til den amerikanske hær, " siger Joe Qiu, programleder ved Hærens Forskningskontor, som finansierede denne forskning.

Gennem deres seneste resultater, Wu og hans team har nu de eksperimentelle procedurer og analytiske metoder på plads til at studere andre typer materialer og fænomener, der kunne være relevante for materialevidenskab og tekniske applikationer. "Og for materialer med mindre uorden, det kan også have en vis anvendelse i, for eksempel, solceller, " siger kandidatstuderende Zhuoliang Ni, medførsteforfatter til begge undersøgelser, om, hvordan disse resultater kunne hjælpe forskere med at finde måder at forbedre et eksisterende materiales fotokonduktivitet.

Ved at bruge en kombination af både eksperiment og teori, disse resultater har også yderligere implikationer for forbedring af topologiske materialer til mere udbredt brug i fremtiden. "Dette er en eksperimentel demonstration, folk forsøger at forbinde med en topologisk karakter, som meget vel kan være i de observerede egenskaber, hvis vi kan gøre materialerne lidt bedre, og jeg tror, ​​at det virkelig bliver gjort her for første gang, " siger Mele. "Lige nu, materialerne er der ikke helt, men det ser ud til at de kunne være det. Og det er en ret fantastisk idé."