في ورقة بحثية نُشرت مؤخرًا في مجلة Nature Physics، اكتشف بريان زو، الأستاذ المساعد في الفيزياء في كلية بوسطن، وزملاؤه طريقة جديدة مذهلة لتحويل الضوء إلى كهرباء في شبه الموصل وايل باستخدام مستشعرات الكم.

 تعتمد العديد من التقنيات المعاصرة مثل الكاميرات وأنظمة الألياف الضوئية والألواح الشمسية على تحويل الضوء إلى إشارات كهربائية.  ومع ذلك، في معظم المواد لا يؤدي مجرد تسليط الضوء على سطحها إلى توليد الكهرباء؛ حيث لا يوجد اتجاه محدد لتدفق الكهرباء. للتغلب على هذه القيود وإنشاء أجهزة إلكترونية ضوئية جديدة، يدرس الباحثون الخصائص الفريدة لإلكترونات شبه الموصل وايل.

أوضح زو، الذي عمل مع ثمانية زملاء من جامعة كولومبيا البريطانية واثنين من الباحثين من جامعة نانيانغ التكنولوجية في سنغافورة، أن معظم الأجهزة الكهروضوئية تتطلب مادتين مختلفتين لخلق اللاتناظر في المجال. لقد تمكن هو وزملائه من إظهار أن اللاتناظر المكاني داخل مادة واحدة – على وجه الخصوص الكائن في خصائص النقل الكهروحرارية – يمكن أن يؤدي إلى تيارات ضوئية تلقائية.

أولاً، درس الفريق مادتيّ التنغستن ديتيلورايد ورباعي فلوريد التانتالوم إيريديوم، وكلاهما ينتميان إلى فئة شبه الموصل وايل. حيث يشتبه الباحثون في أن هذه المواد ستكون خيار جيد لتوليد التيار الضوئي لأن هيكلها البلوري لامتناظر  بطبيعته؛ وهذا يعني أن البلورة لا تطابق  نفسها عن طريق عكس الاتجاهات حول نقطةٍ ما.

ثانيًا، شرعت مجموعة زو البحثية في فهم سبب كفاءة شبه الموصل وايل  في تحويل الضوء إلى كهرباء، لأن القياسات السابقة يمكنها فقط تحديد كمية الكهرباء الخارجة من الجهاز، مثلها مثل قياس كمية المياه المتدفقة من الحوض إلى أنبوب الصرف، لفهم أصل التيارات الضوئية بشكل أفضل، سعى فريقه إلى تصور تدفق الكهرباء داخل الجهاز على غرار رسم خريطة لتيارات المياه المتدفق  في الحوض العادي.

 ثالثًا، كجزء من المشروع أوضح يو سوان وانغ، طالب الدراسات العليا والمؤلف الرئيسي للدراسة، أنهم قاموا بتطوير تقنية جديدة باستخدام مستشعرات حقل مغناطيسي كمي تسمى مراكز شغور النيتروجين في الماس لتصوير المجال المغناطيسي المحلي الناتج عن التيارات الضوئية وإعادة بناء الخطوط الانسيابية الكاملة لتدفق التيار الضوئي.

نتيجة لذلك، وجد الفريق أن التيار الكهربائي يتدفق في شكل دوامة من أربعة أضعاف حول مكان تسليط الضوء على المادة.  تصور الفريق أيضًا كيف يُعدل نمط التدفق الدائر من خلال حواف المادة وكشف أن الزاوية الدقيقة للحافة تحدد ما إذا كان إجمالي التيار الضوئي المتدفق من الجهاز موجبًا أم سالبًا أم صفرًا.

 تقنية التدفق المصورة وغير المعهودة سابقًا أوضحت أن آلية توليد التيار الضوئي ترجع بشكل مدهش إلى تأثير كهروضوئي متباين الخواص – أو بمعنى اخر إلى الاختلافات في كيفية تحويل الحرارة إلى تيار على طول  الاتجاهات غير المتطابقة لشبه الموصل وايل.

من المثير للدهشة أن ظهور الطاقة الحرارية المتباينة الخواص لا يرتبط بالضرورة بلاتناظر الانعكاس الذي يعرضه شبه الموصل وايل، وبالتالي، قد يكون موجودًا في فئات أخرى من المواد.

 أكد زو أن المشاريع المستقبلية ستستخدم مجهر التدفق الضوئي الفريد لفهم أصول التيارات الضوئية في المواد الغريبة الأخرى، ولكشف حدود الكشف الحساسة وتوسيع دائرة الدقة المكانية. وقال خاتمًا: “تكشف النتائج التي توصلنا إليها اتجاهًا جديدًا للبحث عن مواد أخرى عالية الاستجابة للضوء، وسيناقش التأثير المدمر لأجهزة الاستشعار التي تدعم الكم في أسئلة مفتوحة في علم المواد لاحقًا”.

المصدر: https://scitechdaily.com

ترجمة: منة إدريسي

مراجعة وتدقيق: زينب محمد