Aurinkosähkön symmetriarajoitusten voittaminen

Perinteiset aurinkokennot käyttävät huolellisesti suunniteltuja rajapintoja, kuten p-n-liitoksia, valon muuttamiseksi sähköksi. Eksoottisempi mekanismi – bulkkiaurinkosähköilmiö – voi tuottaa sähkövirtaa suoraan materiaaliin, jossa ei ole tällaisia liitoksia, mutta vain, jos sen kiderakenteelta puuttuu inversiosymmetria.

Tämä tiukka vaatimus on pitkään rajoittanut käytännöllisten materiaalien etsintää. Tässä uudessa tutkimuksessa eurooppalainen tutkijaryhmä osoittaa, että tämä rajoitus voidaan voittaa: jopa täysin symmetriset materiaalit voivat tuottaa huomattavia valovirtoja niiden pinnoille luonnollisesti muodostuvien erityisten sähkötilojen ansiosta.

Käyttämällä ensimmäisen periaatteen laskelmia osoitamme, että vahvan relativistisen spin-orbit-vuorovaikutuksen omaavien metallien ja puolijohteiden pinnoilla voi esiintyä elektronisia tiloja, jotka käyttäytyvät hyvin eri tavalla kuin bulkkipinnalla.

Nämä pintatilat rikkovat paikallisesti inversiosymmetrian ja reagoivat epälineaarisesti valoon, mikä synnyttää voimakkaita varausvirtoja ja merkittävää kyllä, puhtaasti spinpolarisoituja virtoja, jotka virtaavat pintaa pitkin.

Vertailtuamme mekanismia tunnetulla Au(111)-pinnalla, tunnistimme Tl/Si(111):n ihanteelliseksi materiaaliksi, ennustaen valovirtoja, jotka ovat verrattavissa johtavien ferrosähköisten materiaalien valovirtoihin, sekä selkeitä kokeellisia merkkejä havaitsemista varten.

Löydökset paljastavat uuden strategian valon muuntamiseksi sähköksi: monimutkaisten, ei-keskisymmetristen kiteiden etsimisen sijaan tutkijat voivat "suunnitella" valovirtoja räätälöimällä muuten symmetristen materiaalien pinnan elektronirakennetta.

Energian keräämisen lisäksi kyky tuottaa ja hallita spinvirtoja valolla – ilman magneetteja tai käytettyjä jännitteitä – avaa lupaavia mahdollisuuksia ultranopeille ja pienitehoisille spintronisille laitteille.

Aiheesta aiemmin:

Aurinkosähkö ja magnetismi

Tutkijat valottivat valosähkön tuotantoa