Varme elektroner i metalliske nanostrukturer-ikke-termiske bærere eller opvarmning?

Hvad sker der med et stykke metal, når du skinner lys over det? Dette spørgsmål, som har været en af ​​drivkræfterne i moderne fysik, fået fornyet interesse i de seneste år, med fremskridtene inden for fremstilling af små metalliske nano-partikler. Når et stykke metal er meget lille, det viser sig, at det kan kobles ekstremt godt til synligt lys. Studiet af grundlæggende og anvendelige aspekter af denne interaktion kaldes typisk plasmonik.

Inden for plasmonikområdet - og i betragtning af metalliske nanopartikler - dukkede to forskellige svar op på det ovenfor stillede spørgsmål. Den første, som er afhængig af klassisk fysik og er ganske intuitiv, er, at nanopartiklen varmes op. Ja, det faktum, at oplyste nanopartikler fungerer som lokaliserede varmekilder, har fundet en lang række anvendelser, fra kræftbehandling til afsaltning af vand. Det andet svar er mere subtilt, og foreslår, at ved belysning, elektronerne afviger fra ligevægt og indtager en ikke-Fermi-fordeling, kendetegnet ved et overskud af elektroner ved høje energier, såkaldte "varme elektroner".

Disse to modeller, opvarmning vs "varme elektroner, "præsenteres typisk som ortogonale, og teorier adresserer enten det ene eller det andet. I et nyligt værk, udført af grupperne af Prof. Yonatan Sivan og Yonatan Dubi (begge fra Ben-Gurion University, Israel), disse to billeder blev slået sammen til en enkelt teoretisk ramme, hvilket gjorde dem i stand til fuldt ud at evaluere både elektronfordelingen og elektron- og gittertemperaturerne for en oplyst nanopartikel. Deres forskningsresultater blev offentliggjort i Lys:Videnskab og applikationer .

Det billede, der kommer frem fra deres undersøgelse, er, at de to effekter - opvarmning og dannelse af "varme elektroner" - faktisk er til stede. Endnu, i modsætning til mange nyere påstande, opvarmning er langt vigtigere, og bruger det meste af belysningseffekten. Kun en lille brøkdel (mindre end en milliontedel) af strømindgangen kanaliseres til generering af "varme elektroner, "hvilket altså er en ekstremt ineffektiv proces.

Mange eksperimentelle og teoretiske undersøgelser har fejret løftet om at udnytte "varme elektroner" til at udføre forskellige funktioner, fra fotodetektering til fotokatalyse. Sivans og Dubis arbejde muliggør en realistisk evaluering af energieffektivitet ved hjælp af "varme elektroner, "og undersøger grænserne for denne effektivitet. Desuden det fungerer som et vigtigt første skridt i retning af realistisk beregning af hele energihøstprocessen i mange systemer, fra plasmonforbedrede fotokatalytiske systemer til solceller.