Cosa succede a un pezzo di metallo quando gli fai luce su di esso? Questa domanda, che è stata una delle forze trainanti della fisica moderna, ha riscosso un rinnovato interesse negli ultimi anni, con i progressi nella fabbricazione di piccole nanoparticelle metalliche. Quando un pezzo di metallo è molto piccolo, si scopre che può accoppiarsi molto bene alla luce visibile. Lo studio degli aspetti fondamentali e applicabili di questa interazione è tipicamente indicato come plasmonica.

All'interno del campo della plasmonica, e considerando le nanoparticelle metalliche, sono emerse due diverse risposte alla domanda posta sopra. Il primo, che si basa sulla fisica classica ed è abbastanza intuitivo, è che la nanoparticella si riscalda. Infatti, il fatto che le nanoparticelle illuminate servano come fonti di calore localizzate ha trovato un'ampia varietà di applicazioni, dal trattamento del cancro alla desalinizzazione dell'acqua. La seconda risposta è più sottile, e suggerisce che dopo l'illuminazione, gli elettroni deviano dall'equilibrio e occupano una distribuzione non di Fermi, caratterizzato da un eccesso di elettroni ad alte energie, cosiddetti "elettroni caldi".

Questi due modelli, riscaldamento vs "elettroni caldi, " sono tipicamente presentati come ortogonali, e le teorie si rivolgono all'una o all'altra. In un recente lavoro, condotto dai gruppi del Prof. Yonatan Sivan e Yonatan Dubi (entrambi della Ben-Gurion University, Israele), queste due immagini sono state fuse in un unico quadro teorico, che ha permesso loro di valutare completamente sia la distribuzione degli elettroni che le temperature degli elettroni e del reticolo di una nanoparticella illuminata. I risultati della loro ricerca sono stati pubblicati in Luce:scienza e applicazioni .

Il quadro che emerge dal loro studio è che effettivamente i due effetti - riscaldamento e generazione di "elettroni caldi" - sono presenti. Ancora, contrariamente a molte recenti affermazioni, il riscaldamento è molto più importante, e utilizza la maggior parte della potenza di illuminazione in ingresso. Solo una piccolissima frazione (meno di un milionesimo) della potenza assorbita viene convogliata verso la generazione di "elettroni caldi, " che è quindi un processo estremamente inefficiente.

Molti studi sperimentali e teorici hanno celebrato la promessa di sfruttare "elettroni caldi" per svolgere varie funzioni, dalla fotorilevazione alla fotocatalisi. Il lavoro di Sivan e Dubi consente una valutazione realistica dell'efficienza della raccolta di energia utilizzando "elettroni caldi, " ed esamina i limiti di tale efficienza. Inoltre, serve come primo passo essenziale verso il calcolo realistico dell'intero processo di raccolta di energia in molti sistemi, dai sistemi fotocatalitici plasmonici alle celle solari.