درک منبع جریان نور با حسگر کوانتومی جدید

تیمی به رهبری کالج بوستون یک حسگر کوانتومی جدید برای تصویربرداری و درک منبع جریان نور در نیمه فلزات ویل ابداع کرده‌اند.

به گزارش تکناک، در مقاله‌ای که اخیراً در مجله Nature Physics منتشر شده است، برایان ژو، استادیار فیزیک در کالج بوستون، و همکارانش روش جدیدی را برای تبدیل نور به الکتریسیته در نیمه فلزات ویل با استفاده از حسگرهای کوانتومی کشف کرده‌اند.

بسیاری از فناوری‌های معاصر مانند دوربین‌ها، سیستم‌های فیبر نوری و پنل‌های خورشیدی بر تبدیل نور به سیگنال‌های الکتریکی متکی هستند. با این حال، در بیشتر مواد، تابش نور به سطح آنها به سادگی منجر به تولید الکتریسیته نمی شود، زیرا جهت خاصی برای جریان الکتریسیته وجود ندارد. برای غلبه بر این محدودیت ها و ایجاد دستگاه های اپتوالکترونیکی جدید، محققان در حال مطالعه خواص منحصر به فرد الکترون ها در نیمه فلزات ویل هستند.

ژو که با سایر محققان از دانشگاه فناوری نانیانگ در سنگاپور در این پروژه کار می کند، گفت: بیشتر دستگاه‌های فوتوالکتریکی به دو ماده مختلف برای ایجاد عدم تقارن در فضا نیاز دارند. در اینجا، ما نشان دادیم که عدم تقارن فضایی در یک ماده واحد به ویژه عدم تقارن در ویژگی‌های انتقال ترموالکتریک آن می‌تواند باعث ایجاد جریان‌های نوری خود به خودی شود.

این تیم مواد تنگستن دیتلورید و تانتالیوم ایریدیوم تتراتلورید را که هر دو متعلق به کلاس نیمه فلزات ویل هستند، مورد مطالعه قرار دادند. محققان مشکوک هستند که این مواد کاندیدهای خوبی برای تولید جریان نوری هستند زیرا ساختار کریستالی آنها ذاتاً وارونگی نامتقارن دارد. به این معنا که کریستال با معکوس کردن جهت یک نقطه روی خودش ترسیم نمیشود.

گروه تحقیقاتی ژو تلاش کردند تا بفهمند چرا نیمه فلزات ویل در تبدیل نور به الکتریسیته کارآمد هستند. اندازه‌گیری‌های قبلی فقط می‌توانست میزان برق خروجی از دستگاه را تعیین کند، مانند اندازه‌گیری میزان آب جاری از سینک به لوله فاضلاب. برای درک بهتر منشأ جریان‌های نوری، تیم ژو به دنبال تجسم جریان الکتریسیته در داخل دستگاه بود.

یو ژوان، وانگ، دانشجوی فارغ التحصیل و نویسنده اصلی این مقاله می گوید: به عنوان بخشی از این پروژه، ما یک تکنیک جدید با استفاده از حسگرهای میدان مغناطیسی کوانتومی به نام “مراکز خالی نیتروژن” در الماس برای تصویربرداری از میدان مغناطیسی موضعی تولید شده توسط جریان‌های نوری و همچنین بازسازی کامل جریان‌های نوری ایجاد کردیم.

این تیم دریافتند که جریان الکتریکی در یک الگوی گردابی چهار برابر در اطراف جایی که نور به مواد می تابد جریان دارد. این تیم بیشتر تجسم کردند که چگونه الگوی جریان گردشی توسط لبه‌های ماده اصلاح می‌شود و نشان داد که زاویه دقیق لبه تعیین می‌کند که آیا کل جریان نوری که از دستگاه خارج می‌شود مثبت، منفی یا صفر است.

ژو گفت: این تصاویر جریانی که قبلاً دیده نشده بود به ما این امکان را داد که توضیح دهیم که مکانیسم تولید جریان نوری به طور شگفت‌آوری به دلیل یک اثر فوتوترموالکتریک ناهمسانگرد (آنیزوتروپیک) است. به عبارت دیگر، تفاوت در نحوه تبدیل گرما به جریان در امتداد جهات مختلف درون صفحه نیمه فلز ویل است.

با کمال تعجب، ظاهر نیروی حرارتی ناهمسانگرد لزوماً به وارونگی نامتقارن نشان داده شده توسط نیمه فلزات ویل مربوط نمی شود و از این رو، ممکن است در کلاس های دیگر مواد وجود داشته باشد.

ژو گفت: یافته‌های ما مسیر جدیدی را برای جستجوی دیگر مواد با توانایی پاسخ‌دهی به نور باز می‌کند. او اضافه کرد، پروژه‌های آینده از میکروسکوپ جریان نوری خاص برای درک منشأ جریان‌های نوری در سایر مواد غیر متعارف استفاده خواهد کرد و ما امیدواریم محدودیت‌ها در حساسیت تشخیص و وضوح فضایی را از بین ببریم.