En nyligen upptäckt Weyl-halvmetall levererar den största inneboende omvandlingen av ljus till elektricitet av något material, ett internationellt team som leds av en grupp forskare från Boston College rapporterar idag i tidskriften Naturmaterial .

Upptäckten är baserad på en unik aspekt av materialet där elektroner kan separeras genom sin kiralitet, eller handenhet – liknande DNA. Resultaten kan erbjuda en ny väg till effektiv generering av el från ljus, såväl som för termisk eller kemisk avkänning.

"Vi upptäckte att Weyl-halvmetallen Tantalum Arsenide, har en kolossal solcellseffekt – en inneboende, eller icke-linjär, generering av ström från ljus mer än tio gånger större än någonsin tidigare uppnåtts, " sa Boston College docent i fysik Kenneth Burch, en huvudförfattare till artikeln, med titeln "Kolossal mellaninfraröd bulk solcellseffekt i en typ-I Weyl-halvmetall."

"Dessutom är detta i den mellaninfraröda regimen, vilket innebär att detta material även kan användas för kemisk eller termisk avkänning, samt spillvärmeåtervinning, " tillade Burch.

Vanligtvis, ljus omvandlas till elektricitet genom att skapa ett inbyggt elektriskt fält i en halvledare, sa Burch. "Detta uppnås genom kemisk modulering, och resulterar i en grundläggande övre gräns för den potentiella effektiviteten - känd som Shockley-Queisser-gränsen."

Teamets alternativa tillvägagångssätt undersökte att utnyttja elektronernas handenhet i materialet för att i sig generera likström genom den olinjära blandningen av ljusvågorna, sa Burch.

Detta tillvägagångssätt har vanligtvis varit för litet för att vara användbart. Men forskare insåg nyligen att det är nära kopplat till elektronernas topologiska egenskaper. Det föranledde förutsägelser om att den unika, DNA-liknande beteende hos elektroner i Weyl-halvmetaller kan ge enorma olinjära effekter.

"Vi fokuserade på att svara på om Weyl-halvmetaller lever upp till förutsägelserna från stora, inneboende olinjära svar för att generera ström, sade Burch, medförfattare av tidningen tillsammans med Philip Moll från Ecole Polytechnique Federale de Lausanne, och Ni Ni från UCLA.

Han tillade att laget var förvånat över storleken på den elektroniska effekten, som provocerades av ett nytt tillverkningssätt.

"Storleken på effekten var mycket större än vi drömde, " sa Burch. "En tidigare grupp från MIT fann att deras svar dominerades av termisk, eller yttre, villkor, vår användning av de fokuserade jonstråletillverkade enheterna och symmetrin gjorde det möjligt för oss att avslöja den kolossala solcellseffekten i bulk vid rumstemperatur."

Burch sa att teamet arbetar för att bestämma "sweet spot" för effekten, specifikt vad är den ideala enhetskonfigurationen och ljusets våglängd.