Filmer den termiske død af elektroner i stof

Det er velkendt, at en elektrisk strøm øger temperaturen på det materiale, som den ledes igennem på grund af den såkaldte Joule-effekt. Denne effekt, som bruges dagligt i husholdnings- og industrivarmere, hårtørrer, termiske sikringer, etc., opstår, fordi de nye elektroner, der sprøjtes ind i materialet, ikke kan gå til de lavere energitilstande, fordi de allerede er optaget af materialets elektroner, og derfor skal de starte deres rejse med relativt høje energier. Disse elektroner kaldes varmebærere. Imidlertid, når de bevæger sig gennem materialet, varme bærere mister energi gennem kollisioner med andre elektroner og atomer i det faste stof. Processen, hvorved denne tabte energi omsættes til termisk energi og, derfor, til en stigning i temperaturen, er kendt som termalisering af varme bærere.

Det skal dog bemærkes, at denne velkendte effekt finder sted for meget høje elektronfluxer, som kan nå milliarder af elektroner i sekundet i elektroniske konventionelle enheder. Derfor, det afslører information om elektronernes kollektive adfærd, men hvor lang tid det tager hver af dem at miste deres energi er et generelt svært spørgsmål at besvare eksperimentelt.

I en artikel offentliggjort i Nano bogstaver , en gruppe spanske forskere har foreslået en ny metode til at udforske termaliseringen af ​​varme bærere med en midlertidig opløsning på milliardtedele af et sekund. Arbejdet, som er resultatet af et samarbejde mellem det autonome universitet i Madrid, IFIMAC, Madrid Institute for Advanced Studies in Nanoscience (IMDEA Nanociencia), Donostia International Physics Center (DIPC) og Universitetet i Baskerlandet (EHU), brugte et scanningstunnelmikroskop til at injicere elektroner i en sølvoverflade med en hastighed tusind gange lavere end den, der svarer til driftsstrømme i standardenheder. Forskerne undersøgte energifordelingen af ​​det udsendte lys ved krydset som reaktion på elektroninjektion.

Et naivt syn på loven om energibevarelse ville betyde, at fotoner ikke bør udsendes med energier, der er større end den spænding, der påføres krydset:Eksperimentet, tværtimod, viser, at selvom antallet af fotoner med energier større end den påførte spænding er meget lille, det er ikke helt nul. I sit arbejde, konsortiet, ledet af prof. Roberto Otero, forklarer dette fænomen som et resultat af at tage højde for temperaturen af ​​elektronskyen af ​​det faste stof, og tillod forskerne at udtrække denne temperatur fra energifordelingen af ​​fotonerne med energier over spændingen.

Denne analyse viser, at temperaturen på elektronskyen og selve materialets temperatur falder sammen for høje temperaturer og lave strømme. Imidlertid, efterhånden som strømmen øges, den estimerede elektroniske temperatur stiger over prøvetemperaturen. Forfatterne rationaliserer denne adfærd under hensyntagen til, at ved at øge strømmen, den gennemsnitlige tid mellem indsprøjtningen af ​​på hinanden følgende elektroner falder. Når denne tid er mindre end den tid, der svarer til termaliseringen af ​​varme bærere, den anden injicerede elektron bemærker, at elektronskyens temperatur er højere end den i prøven, fordi energien fra den første elektron endnu ikke er blevet fuldstændig spredt. Hvis injektionen af ​​den anden elektron resulterer i udsendelse af lys, energifordelingen af ​​lyset med energier over spændingen vil afspejle elektronskyens temperatur på injektionstidspunktet. På denne måde ved at måle emissionen af ​​lys med energier over spændingen ved forskellige strømme er det muligt at følge den hastighed, hvormed termaliseringsprocessen foregår.

Undersøgelsen afklarer arten af ​​fotonemission over den påførte spænding og viser, hvordan denne kendsgerning er helt i overensstemmelse med den nuværende videnskabelige viden. Derudover det tilbyder en ny måde at måle den elektroniske temperatur af faste stoffer via scanning tunnel mikroskop med atomær rumlig opløsning. Og det tilbyder et nyt værktøj til at studere termaliseringsprocesserne af varme bærere én ad gangen. Af alle disse grunde, forfatterne er overbeviste om, at dette arbejde er afgørende for design og karakterisering af termiske og luminescerende enheder i nanoskala, og kunne have vigtige konsekvenser for design af nanometerkatalysatorer til forskellige kemiske reaktioner, eller fremstilling af nanometerlasere, der kunne arbejde med ekstraordinært lave pumpekræfter.