波士頓學院領導的一個團隊設計了一種新的量子傳感器方法，用於成像和理解Weyl半金屬（外爾半金屬）中光電流流的來源。在最近發表在《自然-物理學》雜誌上的一篇論文中，波士頓學院物理學助理教授Brian Zhou和他的同事發現了一種令人驚訝的新方法，即利用量子傳感器在Weyl半金屬中把光轉化為電。

波士頓學院的一個研究小組發現，光電流沿著Weyl半金屬的一條晶軸流入（藍色圖示），並沿著垂直軸流出（黃色/橙色圖示），這裡表示的是該小組利用量子磁場傳感器開發的一種新技術來觀察電流的流動情況。資料來源：波士頓學院Zhou實驗室

許多當代技術，如照相機、光纖系統和太陽能電池板都依賴於將光轉換為電信號。然而，在大多數材料中，簡單地將光照在其表面並不能產生電，因為沒有特定的電的流動方向。為了克服這些限制並創造新的光電子裝置，研究人員正在研究韋爾半金屬中電子的獨特特性。

“大多數光電設備需要兩種不同的材料來創造空間上的不對稱性，”Zhou說，他與不列顛哥倫比亞省的八位同事和新加坡南洋理工大學的兩位研究人員合作。”研究表明，單一材料內的空間不對稱性，特別是其熱電傳輸特性的不對稱性可以引起自發的光電流。”

該團隊研究了二碲化鎢和四碲化鉭材料，這兩種材料都屬於Weyl半金屬的範疇。研究人員懷疑這些材料將是產生光電流的良好候選材料，因為它們的晶體結構是固有的反轉不對稱的；也就是說，晶體不會通過圍繞一個點的反轉方向映射到自身。

Zhou的研究小組著手了解為什麼Weyl半金屬能有效地將光轉化為電能。以前的測量只能確定從一個設備出來的電量，就像測量有多少水從水槽流進排水管一樣。為了更好地了解光電流的來源，團隊試圖將設備內的電流可視化–類似於製作水槽中的水流漩渦圖。

“作為項目的一部分，我們開發了一種新技術，使用稱為鑽石中的氮空穴中心的量子磁場傳感器，對光電流產生的局部磁場進行成像，並重建光電流流動的全部流線，”手稿的主要作者，研究生Wang Yuxuan說。

研究小組發現，電流在光照到材料的地方以四倍的渦流模式流動。研究小組進一步觀察了循環流動模式如何被材料的邊緣所改變，並發現邊緣的精確角度決定了流出設備的總光電流是正的、負的還是零。

Zhou說：”這些從未見過的流動圖像使我們能夠解釋，光電流的產生機制竟然是由於各向異性的光熱電效應–也就是說，沿著Weyl半金屬的不同面內方向，熱量如何轉化為電流的差異。”各向異性熱電的出現並不一定與Weyl半金屬所顯示的反轉不對稱性有關，因此，可能存在於其他類別的材料。

這一發現為尋找其他高光敏性材料開闢了一個新的方向，它展示了量子化傳感器對材料科學中開放問題的顛覆性影響。

未來的項目將使用獨特的光電流流動顯微鏡來了解其他奇異材料中光電流的起源，並推動檢測靈敏度和空間分辨率的極限。