Två färska studier visar att det finns ett topologiskt ursprung för två besläktade metallegeringarnas förmåga att omvandla ljus till elektrisk ström. Ny grundforskning om rodiummonosilicid (RhSi), publicerad i NPJ Quantum Materials, och på koboltmonosilicid (CoSi), publicerad i Naturkommunikation , kan ge ett nytt tillvägagångssätt för att utveckla enheter som fotodetektorer och solceller.

Båda studierna leddes av biträdande professor Liang Wu och involverade medarbetare från universitetet i Fribourg, Franska nationella centrumet för vetenskaplig forskning, Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids, Donostia International Physics Center, University of Maryland, Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, och universitetet i Grenoble.

Wu och hans labb arbetar med ett antal projekt som involverar topologiskt material, vars underliggande teorier var banbrytande av Charlie Kane och Eugene Mele, vinnare av genombrottspriset 2019 i grundläggande fysik. Målet för Wu och andra forskare inom detta område är att använda dessa teorier för att studera och utveckla topologiskt material för nya applikationer och enheter.

Gruppens senaste fynd är fokuserade på sätt att omvandla ljus till elektrisk ström genom en bättre förståelse av sambandet mellan fotoström och topologi. Även om det tidigare gjorts experiment på CoSi och RhSi, det som hjälpte laget att få nya insikter var användningen av terahertz -emissionsspektroskopi. Detta innebär att lysande submillimeterpulser av ljus lyser för att studera ett materials svar inom den mellersta infraröda regimen.

"Eftersom vi trängde in i denna regim, vi kunde visa att den fotogalvaniska effekten i CoSi var topologisk, "säger Wu." Genom att göra en noggrann analys, vi kan mäta bildsvaret som en teori kan beräkna, så vi kan jämföra storleken på svaret mellan experiment och teori, och det gjordes inte tidigare. "

Forskarna fann att både CoSi och RhSis fotoströmmar var av rent topologisk ursprung, även om detta svar i RhSi var mindre uttalat. Slutsatsen i RhSi gäller vid mycket lägre fotonergi än tidigare teorier förutspådde, vilket kan bero på förekomsten av fler defekter i denna förening.

"Dessa material förutses ha en särskild topologisk struktur i sin bandstruktur, men egentligen är gralen här att försöka associera det med några experimentella observerbara, säger Mele, en medförfattare på Naturkommunikation papper. "Under de första åren av detta område, det fanns försök att göra detta, och jag tror att Liangs arbete verkligen är det mest noggranna arbetet som beskriver exakt vad det är du behöver för att se det fenomenet. "

Förutom dess topologiska ursprung, Vad som också var intressant för Wu var hur hög fotoströmmen för CoSi i mitten av infraröda regimen var högre än vad som tidigare observerats i andra typer av material med kirala strukturer. Detta är något som kan möjliggöra nya metoder för tillverkning av enheter, som fotodetektorer, som kan fungera i denna regim.

"Denna studie kommer möjligen att möjliggöra nya koncept för elektroniska enheter baserade på dessa framväxande topologiska material som förbrukar mindre ström, är mer energieffektiva, och i slutändan leda till nya elektroniska system med förbättrad storlek, vikt, och makt för den amerikanska armén, "säger Joe Qiu, programansvarig vid arméforskningskontoret, som finansierade denna forskning.

Genom sina senaste fynd, Wu och hans team har nu de experimentella förfarandena och analysmetoderna på plats för att studera andra typer av material och fenomen som kan vara relevanta för materialvetenskap och tekniska tillämpningar. "Och för material med mindre störning, det kan också ha någon applikation i, till exempel, solceller, "säger doktoranden Zhuoliang Ni, medförfattare till båda studierna, om hur dessa resultat kan hjälpa forskare att hitta sätt att förbättra ett befintligt materials fotokonduktivitet.

Genom att använda en kombination av både experiment och teori, dessa resultat har också ytterligare konsekvenser för att förbättra topologiska material för mer utbredd användning i framtiden. "Detta är en experimentell demonstration som människor försöker associera med en topologisk karaktär som mycket väl kan finnas i de observerade egenskaperna om vi kan göra materialen lite bättre, och jag tror att det verkligen görs här för första gången, "säger Mele." Just nu, materialet är inte riktigt där, men det ser ut som de kan vara det. Och det är en ganska fantastisk idé. "