Wetenschap
Een universeel pad voor het omzetten van licht in stroom in vaste stoffen
Onderzoekers vragen zich al lang af of licht efficiënt kan worden omgezet in elektriciteit. Realistische en efficiënte methoden om elektriciteit op te wekken uit licht, fotostroom, hebben talloze potentiële toepassingen in de schone omzetting van energie, informatieverwerking, sensoren, fotodetectoren en vele andere opto-elektronische toepassingen.
De vraag heeft wetenschappers gemotiveerd om naar nieuwe kwantummaterialen te zoeken. Onlangs hebben onderzoekers van het Indian Institute of Technology (IIT) Bombay een ingenieuze methode voorgesteld, niet alleen om fotostroom op een materiaalonafhankelijke manier te genereren, maar ook om deze efficiënt af te stemmen en aan te passen voor wijdverbreid gebruik.
Fotostroomopwekking uit Weyl-semimetalen is een hot topic vanwege hun topologische aard. Hoewel Weyl-semimetalen robuustheid bieden bij externe verstoringen, is fotostroom alleen beperkt tot bepaalde symmetrieklassen van de Weyl-semimetalen.
Recent onderzoek gepubliceerd in Physical Review B laat zien dat een opstelling met enkelkleurig, circulair gepolariseerd licht fotostroom veroorzaakt in een Weyl-halfmetaal, ongeacht de onderliggende symmetrie en structurele details.
Het gebruik van een intense laserpuls ontgrendelt heliciteitsafhankelijke fotostroom, die ook kan worden afgestemd op de ellipticiteit van het licht. De gemarkeerde methode voor het genereren van fotostroom toont de gevoeligheid voor amplitude, fase en heliciteit van circulair gepolariseerd licht.
Bovendien neemt de fotostroom geleidelijk af tot nul wanneer de ellipticiteit van het licht van cirkelvormig naar lineair overgaat. Dit leidde tot de nieuwigheid van de methode ten opzichte van de eerdere pogingen waarbij gebruik werd gemaakt van ultrakorte uitbarstingen van twee lichtfrequenties in Weyl-semimetalen. De eerdere methoden gebruiken alleen de intensiteit als controleparameter om de fotostroom aan te passen.
Om nog een stap verder te gaan, illustreren onderzoekers ook dat fotostroom kan worden gegenereerd met behulp van een paar lineair gepolariseerde pulsen, de gemakkelijkst denkbare experimentele opstelling in een andere publicatie in Physical Review B . Amar Bharati, de hoofdonderzoeker van dit werk, heeft met succes aangetoond dat intens licht en zijn zwakkere tweede harmonischen voldoende zijn om licht efficiënt om te zetten in elektriciteit.
De voordelen van deze nieuwe aanpak zijn talrijk. Ten eerste genereert het een universele fotostroom in zowel topologische als niet-topologische materialen. Ten tweede kan het op maat worden gemaakt door de hoek tussen de polarisatievlakken en de amplitudeverhouding van twee lampen af te stemmen. Ten derde kan het verder worden afgestemd door een tijdsvertraging tussen twee lichtflitsen in te voeren.
Prof. Gopal Dixit, ook auteur van beide artikelen, zegt:"Op het snel evoluerende gebied van fotodetectoren en opto-elektronica voegt een universele methode om fotostroom te genereren nieuwe dimensies toe. Aan de ene kant, voor informatieverwerking, het genereren van fotostroom naar believen in een eenvoudige opstelling is er behoefte aan een fotodetector voor intens licht. Aan de andere kant lost een fotodetector voor intens licht de dringende behoefte op om intens licht te karakteriseren."