Due studi recenti dimostrano che esiste un'origine topologica della capacità di due leghe metalliche correlate di convertire la luce in corrente elettrica. Nuova ricerca fondamentale sul monosiliciuro di rodio (RhSi), pubblicato su NPJ Quantum Materials, e sul monosiliciuro di cobalto (CoSi), pubblicato in Comunicazioni sulla natura , potrebbe fornire un nuovo approccio per lo sviluppo di dispositivi come fotorivelatori e celle solari.

Entrambi gli studi sono stati condotti dall'assistente professore Liang Wu e hanno coinvolto collaboratori dell'Università di Friburgo, Centro nazionale francese per la ricerca scientifica, Istituto Max Planck per la fisica chimica dei solidi, Centro Internazionale di Fisica Donostia, Università del Maryland, Istituto di Scienza dei Materiali di Madrid, e Università di Grenoble.

Wu e il suo laboratorio stanno lavorando su una serie di progetti che coinvolgono materiali topologici, le cui teorie sottostanti sono state pioniere di Charlie Kane ed Eugene Mele, vincitori del Premio Breakthrough 2019 in Fisica Fondamentale. L'obiettivo di Wu e di altri ricercatori in questo campo è utilizzare queste teorie per studiare e sviluppare materiali topologici per nuove applicazioni e dispositivi.

Le scoperte più recenti del gruppo si concentrano sui modi per convertire la luce in corrente elettrica attraverso una migliore comprensione della relazione tra fotocorrente e topologia. Mentre in precedenza erano stati condotti esperimenti su CoSi e RhSi, ciò che ha aiutato il team a ottenere nuove conoscenze è stato l'uso della spettroscopia di emissione di terahertz. Ciò comporta impulsi luminosi submillimetrici per studiare la risposta di un materiale all'interno del regime del medio infrarosso.

"Poiché abbiamo spinto in questo regime, siamo stati in grado di dimostrare che l'effetto fotogalvanico in CoSi era topologico, " dice Wu. "Eseguendo un'attenta analisi, possiamo misurare la risposta fotografica che una teoria può calcolare, quindi possiamo confrontare l'entità della risposta tra esperimento e teoria, e questo non è stato fatto in passato."

I ricercatori hanno scoperto che sia le fotocorrenti di CoSi che di RhSi erano di origine puramente topologica, sebbene in RhSi questa risposta fosse meno pronunciata. La conclusione in RhSi si applica a un'energia fotonica molto più bassa rispetto a quanto previsto dalle teorie precedenti, che potrebbe essere dovuto alla presenza di più difetti in questo composto.

"Si prevede che questi materiali abbiano una particolare struttura topologica nella loro struttura a bande, ma in realtà il graal qui è cercare di associarlo a qualche osservabile sperimentale, "dice Mele, un coautore sul Comunicazioni sulla natura carta. "Nei primi due anni di questo campo, ci sono stati tentativi per farlo, e penso che il lavoro di Liang sia davvero il lavoro più attento che stabilisce esattamente di cosa hai bisogno per vedere quel fenomeno".

Oltre alla sua origine topologica, ciò che era anche interessante per Wu era quanto fosse alta la foto-corrente di CoSi nel regime del medio infrarosso rispetto a quanto precedentemente osservato in altri tipi di materiali con strutture chirali. Questo è qualcosa che potrebbe consentire nuovi approcci per la creazione di dispositivi, come fotorivelatori, che può funzionare in questo regime.

"Questo studio consentirà potenzialmente nuovi concetti di dispositivi elettronici basati su questi materiali topologici emergenti che consumano meno energia, sono più efficienti dal punto di vista energetico, e infine portare a nuovi sistemi elettronici con dimensioni migliorate, il peso, e potere per l'esercito degli Stati Uniti, "dice Joe Qiu, responsabile del programma presso l'Ufficio Ricerche dell'Esercito, che ha finanziato questa ricerca.

Attraverso le loro ultime scoperte, Wu e il suo team ora dispongono delle procedure sperimentali e dei metodi analitici per studiare altri tipi di materiali e fenomeni che potrebbero essere rilevanti per la scienza dei materiali e le applicazioni ingegneristiche. "E per i materiali con meno disordine, potrebbe anche avere qualche applicazione in, Per esempio, celle solari, "dice lo studente laureato Zhuoliang Ni, co-primo autore di entrambi gli studi, su come questi risultati potrebbero aiutare i ricercatori a trovare modi per migliorare la fotoconduttività di un materiale esistente.

Utilizzando una combinazione di esperimento e teoria, questi risultati hanno anche ulteriori implicazioni per migliorare i materiali topologici per un uso più diffuso in futuro. "Questa è una dimostrazione sperimentale che le persone stanno cercando di associare a un carattere topologico che potrebbe essere nelle proprietà osservate se possiamo migliorare un po' i materiali, e penso che sia stato fatto davvero qui per la prima volta, "dice Mele. "In questo momento, i materiali non sono proprio lì, ma sembra che potrebbero esserlo. E questa è un'idea piuttosto sorprendente".