Twee recente studies tonen aan dat er een topologische oorsprong is van het vermogen van twee verwante metaallegeringen om licht om te zetten in elektrische stroom. Nieuw fundamenteel onderzoek naar rhodium monosilicide (RhSi), gepubliceerd in NPJ Quantum Materials, en op kobaltmonosilicide (CoSi), gepubliceerd in Natuurcommunicatie , zou een nieuwe benadering kunnen bieden voor de ontwikkeling van apparaten zoals fotodetectoren en zonnecellen.

Beide onderzoeken werden geleid door assistent-professor Liang Wu en betrokken medewerkers van de Universiteit van Fribourg, Frans Nationaal Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek, Max Planck Instituut voor Chemische Fysica van vaste stoffen, Donostia Internationaal Natuurkundig Centrum, Universiteit van Maryland, Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, en Universiteit van Grenoble.

Wu en zijn lab werken aan een aantal projecten met topologische materialen, wiens onderliggende theorieën werden ontwikkeld door Charlie Kane en Eugene Mele, de winnaars van de Breakthrough Prize in Fundamental Physics 2019. Het doel van Wu en andere onderzoekers op dit gebied is om deze theorieën te gebruiken om topologische materialen voor nieuwe toepassingen en apparaten te bestuderen en te ontwikkelen.

De meest recente bevindingen van de groep zijn gericht op manieren om licht om te zetten in elektrische stroom door een beter begrip van de relatie tussen fotostroom en topologie. Hoewel er al eerder experimenten waren uitgevoerd op CoSi en RhSi, wat het team hielp nieuwe inzichten te verkrijgen, was het gebruik van terahertz-emissiespectroscopie. Dit omvat het schijnen van submillimeterpulsen van licht om de reactie van een materiaal binnen het midden-infraroodregime te bestuderen.

"Omdat we ons in dit regime hebben geduwd, we konden aantonen dat het fotogalvanische effect in CoSi topologisch was, ", zegt Wu. "Door een zorgvuldige analyse te doen, we kunnen de fotorespons meten die een theorie kan berekenen, zodat we de grootte van de respons tussen experiment en theorie kunnen vergelijken, en dat werd in het verleden niet gedaan."

De onderzoekers ontdekten dat zowel de fotostromen van CoSi als RhSi puur topologisch van oorsprong waren, hoewel deze reactie bij RhSi minder uitgesproken was. De conclusie in RhSi is van toepassing bij een veel lagere fotonenergie dan eerdere theorieën voorspelden, wat te wijten zou kunnen zijn aan de aanwezigheid van meer defecten in deze verbinding.

"Er wordt voorspeld dat deze materialen een bepaalde topologische structuur hebben in hun bandstructuur, maar echt de graal hier is om te proberen dat te associëren met een of ander experimenteel waarneembaar, " zegt Melle, een co-auteur op de Natuurcommunicatie papier. "In de eerste jaren van dit vakgebied, er waren pogingen om dit te doen, en ik denk dat het werk van Liang echt het meest zorgvuldige werk is dat precies beschrijft wat je nodig hebt om dat fenomeen te zien."

Naast de topologische oorsprong, wat ook interessant was voor Wu was hoe hoog de fotostroom van CoSi in het midden-infraroodregime hoger was dan wat eerder was waargenomen in andere soorten materialen met chirale structuren. Dit is iets dat nieuwe benaderingen mogelijk maakt voor het maken van apparaten, zoals fotodetectoren, dat kan werken in dit regime.

"Deze studie zal mogelijk nieuwe concepten voor elektronische apparaten mogelijk maken op basis van deze opkomende topologische materialen die minder stroom verbruiken, zijn energiezuiniger, en uiteindelijk leiden tot nieuwe elektronische systemen met een grotere omvang, gewicht, en macht voor het Amerikaanse leger, " zegt Joe Qiu, programmamanager bij het Legeronderzoeksbureau, die dit onderzoek financierde.

Door hun laatste bevindingen, Wu en zijn team beschikken nu over de experimentele procedures en analytische methoden om andere soorten materialen en fenomenen te bestuderen die relevant kunnen zijn voor materiaalwetenschap en technische toepassingen. "En voor materialen met minder wanorde, het kan ook een toepassing hebben in, bijvoorbeeld, zonnepanelen, " zegt afgestudeerde student Zhuoliang Ni, co-eerste auteur van beide studies, over hoe deze resultaten onderzoekers kunnen helpen manieren te vinden om de fotogeleiding van een bestaand materiaal te verbeteren.

Door een combinatie van zowel experiment als theorie te gebruiken, deze resultaten hebben ook verdere implicaties voor het verbeteren van topologische materialen voor meer wijdverbreid gebruik in de toekomst. "Dit is een experimentele demonstratie die mensen proberen te associëren met een topologisch karakter dat misschien wel in de waargenomen eigenschappen zit als we de materialen een beetje beter kunnen maken, en ik denk dat dat hier echt voor het eerst wordt gedaan, "zegt Mele. "Op dit moment, de materialen zijn er niet helemaal, maar het lijkt erop dat ze dat kunnen zijn. En dat is een vrij verbazingwekkend idee."