Deux études récentes démontrent qu'il existe une origine topologique de la capacité de deux alliages métalliques apparentés à convertir la lumière en courant électrique. Nouvelle recherche fondamentale sur le monosiliciure de rhodium (RhSi), publié dans NPJ Quantum Materials, et sur le monosiliciure de cobalt (CoSi), Publié dans Communication Nature , pourrait fournir une nouvelle approche pour développer des dispositifs tels que des photodétecteurs et des cellules solaires.

Les deux études ont été dirigées par le professeur assistant Liang Wu et ont impliqué des collaborateurs de l'Université de Fribourg, Centre National de la Recherche Scientifique, Institut Max Planck de physique chimique des solides, Centre international de physique de Donostia, Université du Maryland, Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, et Université de Grenoble.

Wu et son laboratoire travaillent sur un certain nombre de projets impliquant des matériaux topologiques, dont les théories sous-jacentes ont été lancées par Charlie Kane et Eugene Mele, lauréats du Prix de la percée 2019 en physique fondamentale. L'objectif de Wu et d'autres chercheurs dans ce domaine est d'utiliser ces théories pour étudier et développer des matériaux topologiques pour de nouvelles applications et de nouveaux dispositifs.

Les découvertes les plus récentes du groupe se concentrent sur les moyens de convertir la lumière en courant électrique grâce à une meilleure compréhension de la relation entre le photocourant et la topologie. Alors qu'il y avait eu des expériences menées sur CoSi et RhSi auparavant, ce qui a aidé l'équipe à acquérir de nouvelles connaissances, c'est l'utilisation de la spectroscopie d'émission térahertz. Cela implique de projeter des impulsions lumineuses submillimétriques pour étudier la réponse d'un matériau dans le régime infrarouge moyen.

"Parce que nous avons poussé dans ce régime, nous avons pu montrer que l'effet photogalvanique dans le CoSi était topologique, " dit Wu. " En faisant une analyse minutieuse, on peut mesurer la photo-réponse qu'une théorie peut calculer, afin que nous puissions comparer l'ampleur de la réponse entre l'expérience et la théorie, et cela n'a pas été fait dans le passé."

Les chercheurs ont découvert que les photocourants de CoSi et de RhSi étaient d'origine purement topologique, bien que dans RhSi cette réponse était moins prononcée. La conclusion dans RhSi s'applique à une énergie photonique bien inférieure à ce que les théories précédentes prédisaient, ce qui pourrait être dû à la présence de plus de défauts dans ce composé.

"Ces matériaux devraient avoir une structure topologique particulière dans leur structure de bande, mais vraiment le graal ici est d'essayer d'associer cela à quelque observable expérimental, " dit Mele, un co-auteur sur le Communication Nature papier. « Au cours des deux premières années de ce domaine, il y a eu des tentatives pour le faire, et je pense que le travail de Liang est vraiment le travail le plus minutieux qui énonce exactement ce dont vous avez besoin pour voir ce phénomène."

En plus de son origine topologique, Ce qui était également intéressant pour Wu, c'était à quel point le photo-courant du CoSi dans le régime infrarouge moyen était plus élevé que ce qui avait été observé auparavant dans d'autres types de matériaux à structures chirales. C'est quelque chose qui pourrait permettre de nouvelles approches pour fabriquer des appareils, comme les photodétecteurs, qui peut fonctionner dans ce régime.

"Cette étude permettra potentiellement de nouveaux concepts de dispositifs électroniques basés sur ces matériaux topologiques émergents qui consomment moins d'énergie, sont plus économes en énergie, et finalement conduire à de nouveaux systèmes électroniques avec une taille améliorée, poids, et le pouvoir de l'armée américaine, " dit Joe Qiu, responsable de programme au bureau de recherche de l'armée, qui a financé cette recherche.

Grâce à leurs dernières découvertes, Wu et son équipe ont maintenant mis en place des procédures expérimentales et des méthodes analytiques pour étudier d'autres types de matériaux et de phénomènes qui pourraient être pertinents pour les applications de la science des matériaux et de l'ingénierie. "Et pour les matériaux avec moins de désordre, il peut également avoir une certaine application dans, par exemple, cellules solaires, " dit l'étudiant diplômé Zhuoliang Ni, co-premier auteur des deux études, comment ces résultats pourraient aider les chercheurs à trouver des moyens d'améliorer la photoconductivité d'un matériau existant.

En utilisant une combinaison d'expérience et de théorie, ces résultats ont également d'autres implications pour l'amélioration des matériaux topologiques pour une utilisation plus répandue à l'avenir. "Il s'agit d'une démonstration expérimentale que les gens essaient d'associer à un caractère topologique qui pourrait bien être dans les propriétés observées si nous pouvons améliorer un peu les matériaux, et je pense que c'est vraiment fait ici pour la première fois, " dit Mele. " En ce moment, les matériaux ne sont pas tout à fait là, mais il semble qu'ils pourraient l'être. Et c'est une idée assez incroyable."