Dois estudos recentes demonstram que há uma origem topológica da capacidade de duas ligas metálicas relacionadas de converter luz em corrente elétrica. Nova pesquisa fundamental sobre monossilicida de ródio (RhSi), publicado em NPJ Quantum Materials, e em monossilicida de cobalto (CoSi), publicado em Nature Communications , poderia fornecer uma nova abordagem para o desenvolvimento de dispositivos como detectores de foto e células solares.

Ambos os estudos foram conduzidos pelo professor assistente Liang Wu e envolveram colaboradores da Universidade de Friburgo, Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica, Instituto Max Planck de Física Química de Sólidos, Donostia International Physics Center, Universidade de Maryland, Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, e Universidade de Grenoble.

Wu e seu laboratório estão trabalhando em uma série de projetos envolvendo materiais topológicos, cujas teorias subjacentes foram iniciadas por Charlie Kane e Eugene Mele, vencedores do Prêmio Revelação de Física Fundamental de 2019. O objetivo de Wu e outros pesquisadores neste campo é usar essas teorias para estudar e desenvolver materiais topológicos para novas aplicações e dispositivos.

As descobertas mais recentes do grupo estão focadas em maneiras de converter luz em corrente elétrica por meio de um melhor entendimento da relação entre fotocorrente e topologia. Embora tenha havido experimentos conduzidos em CoSi e RhSi antes, o que ajudou a equipe a obter novos insights foi o uso da espectroscopia de emissão de terahertz. Isso envolve pulsos de luz submilimétricos brilhantes para estudar a resposta de um material no regime do infravermelho médio.

"Porque nós empurramos para este regime, fomos capazes de mostrar que o efeito fotogalvânico em CoSi era topológico, "diz Wu." Ao fazer uma análise cuidadosa, podemos medir a resposta da foto que uma teoria pode calcular, para que possamos comparar a magnitude da resposta entre experimento e teoria, e isso não era feito no passado. "

Os pesquisadores descobriram que as fotocorrentes CoSi e RhSi eram de origem puramente topológica, embora no RhSi essa resposta tenha sido menos pronunciada. A conclusão em RhSi se aplica a uma energia de fóton muito mais baixa do que as teorias anteriores previam, o que pode ser devido à presença de mais defeitos neste composto.

"Prevê-se que esses materiais tenham uma estrutura topológica particular em sua estrutura de banda, mas realmente o graal aqui é tentar associar isso a algum observável experimental, "diz Mele, um co-autor no Nature Communications papel. "Nos primeiros anos neste campo, houve tentativas de fazer isso, e eu acho que o trabalho de Liang é realmente o trabalho mais cuidadoso que mostra exatamente o que você precisa para ver esse fenômeno. "

Além de sua origem topológica, o que também foi interessante para Wu foi o quão alta a foto-corrente do CoSi no regime do infravermelho médio era maior do que o que havia sido observado anteriormente em outros tipos de materiais com estruturas quirais. Isso é algo que pode permitir novas abordagens para fazer dispositivos, como detectores de fotos, que pode funcionar neste regime.

"Este estudo irá potencialmente permitir novos conceitos de dispositivos eletrônicos com base nesses materiais topológicos emergentes que consomem menos energia, são mais eficientes em termos de energia, e, finalmente, levar a novos sistemas eletrônicos com tamanho aprimorado, peso, e poder para o Exército dos EUA, "diz Joe Qiu, gerente de programa do Gabinete de Pesquisa do Exército, que financiou esta pesquisa.

Por meio de suas últimas descobertas, Wu e sua equipe agora possuem procedimentos experimentais e métodos analíticos para estudar outros tipos de materiais e fenômenos que podem ser relevantes para a ciência de materiais e aplicações de engenharia. "E para materiais com menos desordem, também pode ter alguma aplicação em, por exemplo, células solares, "diz o estudante de pós-graduação Zhuoliang Ni, co-primeiro autor de ambos os estudos, sobre como esses resultados podem ajudar os pesquisadores a encontrar maneiras de aumentar a fotocondutividade de um material existente.

Usando uma combinação de experimento e teoria, esses resultados também têm implicações adicionais para o aprimoramento de materiais topológicos para uso mais difundido no futuro. "Esta é uma demonstração experimental que as pessoas estão tentando associar a um caráter topológico que pode muito bem estar nas propriedades observadas se pudermos tornar os materiais um pouco melhores, e acho que isso está realmente sendo feito aqui pela primeira vez, "diz Mele." Agora, os materiais não estão exatamente lá, mas parece que podem ser. E essa é uma ideia incrível. "