Altamente energico, Gli elettroni "caldi" hanno il potenziale per aiutare i pannelli solari a raccogliere in modo più efficiente l'energia luminosa.

Ma gli scienziati non sono stati in grado di misurare le energie di quegli elettroni, limitandone l'uso. I ricercatori della Purdue University e dell'Università del Michigan hanno costruito un modo per analizzare quelle energie.

"Ci sono stati molti modelli teorici di elettroni caldi ma nessun esperimento diretto o misurazione di come appaiono, " ha detto Vladimir "Vlad" Shalaev (shal-AYV), Bob e Anne Burnett Distinguished Professor di Ingegneria Elettrica e Informatica della Purdue University, che ha guidato il team Purdue in questo lavoro collaborativo.

In un articolo pubblicato sulla rivista Scienza di giovedì, i ricercatori hanno dimostrato come una tecnica che utilizza un microscopio a effetto tunnel integrato con laser e altri componenti ottici rivela la distribuzione di energia degli elettroni caldi.

"Misurare la distribuzione dell'energia significa quantificare quanti elettroni sono disponibili a una certa quantità di energia. Mancava quell'informazione cruciale per espandere l'uso degli elettroni caldi, "ha detto Harsha Reddy, un dottorato di ricerca studente della Purdue's School of Electrical and Computer Engineering e autore principale di questo articolo.

Gli elettroni caldi vengono generalmente generati facendo brillare una certa frequenza di luce su una nanostruttura accuratamente progettata fatta di metalli come oro o argento, eccitanti cosiddetti "plasmoni di superficie". Si ritiene che questi plasmoni alla fine perdano parte della loro energia a causa degli elettroni, rendendoli caldi.

Mentre gli elettroni caldi possono avere temperature fino a 2, 000 gradi Fahrenheit, è la loro elevata energia, piuttosto che la temperatura del materiale, che li rende utili per le tecnologie energetiche. Nei pannelli solari, le energie degli elettroni caldi potrebbero essere convertite in modo più efficiente in energia elettrica rispetto agli approcci convenzionali.

Gli elettroni caldi potrebbero anche migliorare l'efficienza della tecnologia energetica come le celle a combustibile a base di idrogeno nelle automobili accelerando le reazioni chimiche.

"In una tipica reazione chimica, i reagenti devono avere energia sufficiente per superare una soglia per completare la reazione. Se hai questi elettroni ad alta energia, alcuni degli elettroni perderebbero la loro energia per i reagenti e li spingerebbero oltre quella soglia, rendendo la reazione chimica più veloce, " ha detto Reddy.

Reddy ha lavorato con Kun Wang, un ricercatore post-dottorato in un gruppo dell'Università del Michigan guidato dai professori Edgar Meyhofer e Pramod Reddy, che ha co-diretto lo sforzo di ricerca. Insieme, hanno impiegato più di 18 mesi per sviluppare l'apparato sperimentale e altri 12 mesi per misurare le energie degli elettroni caldi.

I ricercatori hanno costruito un sistema che ha permesso loro di rilevare la differenza nelle correnti di carica generate con e senza eccitare i plasmoni. Questa differenza di corrente contiene le informazioni cruciali necessarie per determinare la distribuzione di energia degli elettroni caldi nella nanostruttura metallica.

Far brillare una luce laser su una pellicola d'oro con minuscole creste eccita i plasmoni nel sistema, generando elettroni caldi. I ricercatori hanno misurato le energie degli elettroni trascinandoli attraverso molecole accuratamente progettate in un elettrodo d'oro sulla punta di un microscopio a scansione a effetto tunnel. I ricercatori dell'Università di Liverpool hanno sintetizzato alcune delle molecole per questi esperimenti.

Questo metodo potrebbe essere utilizzato per migliorare un'ampia gamma di applicazioni legate all'energia.

"Questo sforzo di ricerca di base multidisciplinare fa luce su un modo unico per misurare l'energia dei portatori di carica. Questi risultati dovrebbero svolgere un ruolo cruciale nello sviluppo di future applicazioni nella conversione dell'energia, fotocatalisi e fotorivelatori, ad esempio, che sono di grande interesse per il Dipartimento della Difesa, " disse Chakrapani Varanasi, un responsabile di programma per l'Ufficio di ricerca dell'esercito, che ha sostenuto questo studio.