Lys tvinger elektroner til at følge kurven

Et eksotisk fænomen normalt forbundet med høje magnetiske felter kan opnås uden et magnetfelt, ifølge teoretiske forudsigelser fra forskere fra A*STAR og USA. Deres analyse kunne åbne vejen til en ny type optoelektronisk enhed, der opererer ved lange bølgelængder.

En ladet partikel i et elektrisk felt oplever en kraft, der driver den i retning af feltet, skabe en strøm. Den bevægelige partikel kan også opleve en kraft vinkelret på dens bevægelse. Dette kan ske i nærvær af et magnetfelt, f.eks. og kan føre til en række usædvanlige egenskaber, især når den vinkelrette komponent dominerer, og elektronen begynder at følge en skæv bane. Men dette såkaldte Hall-regime kræver ofte store magnetiske felter, som er upraktiske for rigtige enheder.

Justin Song fra A*STAR Institute of High Performance Computing, arbejder sammen med sin kollega Mikhail Kats fra University of Wisconsin-Madison, har teoretisk forudsagt, at en usædvanlig Hall-type bevægelse kan udnyttes ved stuetemperatur og uden et magnetisk felt i en ny klasse af materialer kendt som gapped Dirac materialer1. "Dirac-materialer er halvmetaller på grund af deres materialesymmetri, " forklarer Song. "Dirac-materialer med smalt hul bryder forsigtigt disse symmetrier, åbner op for små bånd."

Den alternative vej til en Hall-effekt undersøgt af Song og Kats er baseret på såkaldte 'dale' i disse gabende Dirac-materialer. En dal, i sammenhæng med den elektroniske båndstruktur af et materiale, er et minimum, som elektroner kan sætte sig ind i. Hvis der er to dale med identisk energi, elektronerne i hver af dalene af gabende Dirac-materialer har kontrasterende baner.

Song og Kats udnyttede denne kontrast ved at inducere en ubalance af elektroner i den ene dal over den anden via cirkulært polariseret lysbelysning. De afslørede en foto-induceret Hall-effekt (Hall-fotokonduktivitet) med styrke bestemt stærkt af lysets bølgelængde, stigende med en faktor på op til en million ved skift fra synligt lys til det fjerne infrarøde lys.

Dette betyder, at gabende Dirac-materialer med et mindre elektronisk båndgab, såsom grafen-bor-nitrid heterostrukturer, er mere effektive end dem med et større båndgab inklusive molybdændisulfid.

Dette fænomen kan være nyttigt for udviklingen af ​​ny fjern infrarød og terahertz optoelektronik. "Et særligt fristende perspektiv er en ny type fotodetektorkoncept, der måler Hall-strømmen i disse gabende Dirac-materialer, " siger Song. "Sådan en fotodetektor kunne potentielt have nul netto mørkestrøm selv med en stor forspænding."