Visualization of bulk and edge photocurrent flow in anisotropic Weyl semimetals

光电流 各向异性 物理 光电探测器 光激发 光电子学 Weyl半金属 光电导性 凝聚态物理 材料科学 光学 半金属 带隙 激发态 核物理学
作者
Yu‐Xuan Wang,Xin‐Yue Zhang,Chunhua Li,Xiaohan Yao,Ruihuan Duan,Thomas K. M. Graham,Zheng Liu,Fazel Tafti,David Broido,Ying Ran,Brian B. Zhou
出处
期刊:Nature Physics [Nature Portfolio]
卷期号:19 (4): 507-514 被引量:14
标识
DOI:10.1038/s41567-022-01898-0
摘要

Materials that rectify light into current in their bulk are desired for optoelectronic applications. In inversion-breaking Weyl semimetals, bulk photocurrents may arise due to nonlinear optical processes that are enhanced near the Weyl nodes. However, the photoresponse of these materials is commonly studied by scanning photocurrent microscopy (SPCM), which convolves the effects of photocurrent generation and collection. Here, we directly image the photocurrent flow inside the type-II Weyl semimetals WTe2 and TaIrTe4 using high-sensitivity quantum magnetometry with nitrogen-vacancy center spins. We elucidate an unknown mechanism for bulk photocurrent generation termed the anisotropic photothermoelectric effect (APTE), where unequal thermopowers along different crystal axes drive intricate circulations of photocurrent around the photoexcitation. Using simultaneous SPCM and magnetic imaging at the sample's interior and edges, we visualize how the APTE stimulates the long-range photocurrent collected in our Weyl semimetal devices through the Shockley-Ramo theorem. Our results highlight an overlooked, but widely relevant source of current flow and inspire novel photodetectors using homogeneous materials with anisotropy.
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