Een recent ontdekt Weyl-halfmetaal levert de grootste intrinsieke omzetting van licht in elektriciteit van welk materiaal dan ook. een internationaal team onder leiding van een groep Boston College-onderzoekers meldt vandaag in het tijdschrift Natuurmaterialen .

De ontdekking is gebaseerd op een uniek aspect van het materiaal waar elektronen kunnen worden gescheiden door hun chiraliteit, of handigheid - vergelijkbaar met DNA. De bevindingen bieden mogelijk een nieuwe route naar efficiënte opwekking van elektriciteit uit licht, evenals voor thermische of chemische detectie.

"We ontdekten dat het Weyl-halfmetaal Tantalum Arsenide, heeft een kolossaal bulk fotovoltaïsch effect - een intrinsiek, of niet-lineair, opwekking van stroom uit licht meer dan tien keer groter dan ooit tevoren bereikt, " zei Boston College universitair hoofddocent natuurkunde Kenneth Burch, een hoofdauteur van het artikel, getiteld "Kolossaal mid-infrarood bulk fotovoltaïsch effect in een type I Weyl semi-metaal."

"Bovendien is dit in het midden-infraroodregime, wat betekent dat dit materiaal ook kan worden gebruikt voor chemische of thermische detectie, evenals de terugwinning van restwarmte, ’ voegde Burch eraan toe.

Typisch, licht wordt omgezet in elektriciteit door een ingebouwd elektrisch veld in een halfgeleider te creëren, zei Burch. "Dit wordt bereikt door chemische modulatie, en resulteert in een fundamentele bovengrens van de potentiële efficiëntie - bekend als de Shockley-Queisser-limiet."

De alternatieve benadering van het team onderzocht het benutten van de handigheid van de elektronen in het materiaal om intrinsiek gelijkstroom te genereren door de niet-lineaire vermenging van de lichtgolven, zei Burch.

Deze benadering was doorgaans te klein om bruikbaar te zijn. Maar onderzoekers realiseerden zich onlangs dat het nauw verbonden is met de topologische eigenschappen van de elektronen. Dat leidde tot voorspellingen dat de unieke, DNA-achtig gedrag van elektronen in Weyl-halfmetalen zou enorme niet-lineaire effecten kunnen veroorzaken.

"We hebben ons gericht op het beantwoorden van de vraag of Weyl-halfmetalen de voorspellingen van grote, intrinsieke niet-lineaire reacties om stroom te genereren, " zei Burch, co-auteur van het artikel met Philip Moll van Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, en Ni Ni van UCLA.

Hij voegde eraan toe dat het team verbaasd was over de omvang van het elektronische effect, die werd uitgelokt door een nieuwe fabricagebenadering.

"De omvang van het effect was veel groter dan we hadden gedroomd, " zei Burch. "Een eerdere groep van MIT ontdekte dat hun reactie werd gedomineerd door thermische, of extrinsiek, termen, ons gebruik van de gefocusseerde ionenbundel vervaardigde apparaten en symmetrie stelde ons in staat om het kolossale bulk fotovoltaïsche effect bij kamertemperatuur bloot te leggen."

Burch zei dat het team werkt aan het bepalen van de 'sweet spot' voor het effect, specifiek wat is de ideale apparaatconfiguratie en golflengte van licht.