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  • Filmare la morte termica degli elettroni nella materia

    Figura 1. (a) Rappresentazione schematica dell'esperimento:una corrente di tunnel scorre da una punta Au STM a plasmoni eccitanti in superficie Ag(111), il cui decadimento radiativo porta all'emissione di fotoni. (b) Diagramma di livello che mostra che l'ampiezza della finestra energetica dei possibili stati iniziali e finali di un processo di tunnel anelastico che eccita un plasmone di energia hν è eV B – hν; cioè., per basse energie fotoniche, le transizioni più anelastiche contribuiscono all'emissione. Per energie dei fotoni superiori alla tensione di polarizzazione, i processi anelastici che collegano gli stati occupati nella punta e gli stati vuoti nel campione diventano impossibili. (c) Spettri di elettroluminescenza a tunnel registrati a 4,9 K con una tensione di polarizzazione di 3,5 V, dove tutti i modi della cavità plasmonica rilevanti sono accessibili da processi anelastici, e a tensioni inferiori (2,4–2,5 V), dimostrando la soppressione dell'intensità a energie dei fotoni maggiori della polarizzazione applicata. Riquadro:Zoom sul bordo di emissione. La coda di emissione overbias è ombreggiata. (d) Confronto tra la dipendenza dalla tensione dell'ampiezza di overbias (A, cioè., l'intensità luminosa al cutoff) e l'emissione totale integrata ( io leggero T , cioè., intensità della luce integrata a energie maggiori del cutoff) con gli spettri completamente sviluppati a 3,5 V. (e) Normalizzazione degli spettri del bordo di emissione a diverse tensioni per le rispettive ampiezze, UN, rende lo spettro indipendente dalla tensione. Credito:DOI:10.1021/acs.nanolett.1c00951

    È noto che una corrente elettrica aumenta la temperatura del materiale attraverso il quale viene condotta per il cosiddetto effetto Joule. Questo effetto, che viene utilizzato quotidianamente nei riscaldatori domestici e industriali, asciugacapelli, fusibili termici, eccetera., si verifica perché i nuovi elettroni iniettati nel materiale non possono andare negli stati energetici inferiori perché questi sono già occupati dagli elettroni del materiale e quindi devono iniziare il loro viaggio con energie relativamente elevate. Questi elettroni sono chiamati portatori caldi. Però, mentre si muovono attraverso il materiale, i portatori caldi perdono energia attraverso collisioni con altri elettroni e atomi nel solido. Il processo mediante il quale questa energia persa viene tradotta in energia termica e, perciò, in un aumento della temperatura, è nota come termalizzazione dei vettori caldi.

    Va notato tuttavia che questo effetto ben noto si verifica per flussi di elettroni molto elevati, che può raggiungere miliardi di elettroni al secondo nei dispositivi elettronici convenzionali. Perciò, rivela informazioni sul comportamento collettivo degli elettroni, ma quanto tempo impiega ciascuno di loro a perdere la propria energia è una domanda generalmente difficile a cui rispondere sperimentalmente.

    In un articolo pubblicato su Nano lettere , un gruppo di ricercatori spagnoli ha proposto un nuovo metodo per esplorare la termalizzazione dei portatori caldi con risoluzione temporanea di miliardesimi di secondo. Il lavoro, che nasce da una collaborazione tra l'Università Autonoma di Madrid, IFIMAC, l'Istituto di studi avanzati in nanoscienze di Madrid (IMDEA Nanociencia), il Centro Internazionale di Fisica di Donostia (DIPC) e l'Università dei Paesi Baschi (EHU), ha utilizzato un microscopio a tunnel a scansione per iniettare elettroni in una superficie d'argento a una velocità mille volte inferiore a quella corrispondente alle correnti operative nei dispositivi standard. I ricercatori hanno esaminato la distribuzione dell'energia della luce emessa alla giunzione in risposta all'iniezione di elettroni.

    Una visione ingenua della legge di conservazione dell'energia implicherebbe che i fotoni non dovrebbero essere emessi con energie maggiori della tensione applicata alla giunzione:l'esperimento, anzi, mostra che sebbene il numero di fotoni con energie maggiori della tensione applicata sia molto piccolo, non è completamente zero. Nel suo lavoro, il consorzio, guidato dal Prof. Roberto Otero, spiega questo fenomeno come il risultato della presa in considerazione della temperatura della nuvola di elettroni del solido, e ha permesso ai ricercatori di estrarre questa temperatura dalla distribuzione di energia dei fotoni con energie superiori al voltaggio.

    Questa analisi mostra che la temperatura della nuvola elettronica e quella del materiale stesso coincidono per alte temperature e basse correnti. Però, all'aumentare della corrente, la temperatura elettronica stimata aumenta al di sopra della temperatura del campione. Gli autori razionalizzano questo comportamento tenendo conto che, aumentando la corrente, il tempo medio tra l'iniezione di elettroni consecutivi diminuisce. Quando questo tempo è inferiore al tempo corrispondente alla termalizzazione dei vettori caldi, il secondo elettrone iniettato nota che la temperatura della nuvola di elettroni è superiore a quella del campione, perché l'energia del primo elettrone non è stata ancora completamente dissipata. Se l'iniezione del secondo elettrone provoca l'emissione di luce, la distribuzione di energia della luce con energie superiori alla tensione rifletterà la temperatura della nuvola di elettroni al momento dell'iniezione. In questo modo, misurando l'emissione di luce con energie superiori alla tensione a diverse correnti è possibile seguire la velocità con cui avviene il processo di termalizzazione.

    Lo studio chiarisce la natura dell'emissione di fotoni al di sopra della tensione applicata e mostra come questo fatto sia perfettamente coerente con le attuali conoscenze scientifiche. Inoltre, offre un nuovo modo di misurare la temperatura elettronica dei solidi tramite microscopio a tunnel a scansione con risoluzione spaziale atomica. E offre un nuovo strumento per studiare uno alla volta i processi di termalizzazione dei vettori caldi. Per tutti questi motivi, gli autori sono fiduciosi che questo lavoro sia essenziale per la progettazione e la caratterizzazione di dispositivi termici e luminescenti su nanoscala, e potrebbe avere importanti implicazioni per la progettazione di catalizzatori nanometrici per diverse reazioni chimiche, o la fabbricazione di laser nanometrici che potrebbero funzionare con potenze di pompa straordinariamente basse.


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