Se sono veloci a riguardo, Gli elettroni "caldi" eccitati in un metallo plasmonico possono farsi strada attraverso uno spazio su scala nanometrica verso un metallo vicino. Gli scienziati della Rice University hanno affermato che la parte interessante è ciò che accade nel divario.

Un team di Rice ha scoperto che quegli elettroni possono creare un fotovoltaggio circa mille volte più grande di quello che si vede se non c'è spazio. La scoperta mostra che dovrebbe essere possibile creare fotorivelatori su nanoscala che convertono la luce in elettricità e possono essere utilizzati come sensori o in altri dispositivi elettronici sofisticati.

I risultati del laboratorio Rice del fisico della materia condensata Douglas Natelson appaiono nel rapporto dell'American Chemical Society. Journal of Physical Chemistry Letters .

Il laboratorio di Natelson studia l'elettronica, proprietà magnetiche e ottiche di strutture su scala nanometrica, spesso testando le proprietà di sistemi che possono essere visualizzati solo al microscopio.

Alcuni studi coinvolgono interi nanofili d'oro, e a volte il laboratorio rompe il filo per formare uno spazio di pochi nanometri (miliardesimi di metro). Un obiettivo è capire se e come gli elettroni superano il nanogap in varie condizioni, come temperature ultrafredde.

Osservando tali strutture, i ricercatori si sono trovati a studiare le caratteristiche su scala nanometrica di quello che è noto come effetto Seebeck (termoelettrico), scoperto nel 1821, in cui il calore viene convertito in elettricità alla giunzione di due fili di metalli diversi. Seebeck scoprì che si formerebbe una tensione su un singolo conduttore quando una parte è più calda dell'altra.

"Se vuoi realizzare dei termostati per la tua casa o per il climatizzatore della tua auto, ecco come lo fai, " Ha detto Natelson. "Unisci insieme due metalli dissimili per fare una termocoppia, e attacca quella giunzione dove vuoi misurare la temperatura. Conoscendo la differenza tra i coefficienti di Seebeck dei metalli e misurando la tensione ai capi della termocoppia, puoi lavorare a ritroso da quello per ottenere la temperatura."

Per vedere come funziona in un singolo metallo su scala nanometrica, Natelson, l'autore principale ed ex ricercatore postdottorato Pavlo Zolotavin e la studentessa laureata Charlotte Evans hanno utilizzato un laser per indurre un gradiente di temperatura attraverso un nanofilo d'oro a forma di papillon. Che ha creato una piccola tensione, coerente con l'effetto Seebeck. Ma con un nanogap che divide il filo, "i dati hanno chiarito che è all'opera un meccanismo fisico diverso, " scrissero.

L'oro è un metallo plasmonico, uno di una classe di metalli che può rispondere all'input di energia da un laser o altra sorgente eccitando plasmoni sulle loro superfici. Le eccitazioni plasmoniche sono lo sbattere avanti e indietro degli elettroni nel metallo, come l'acqua in una bacinella.

Questo è utile, Natelson ha spiegato, perché possono essere rilevati plasmoni oscillanti. A seconda del metallo e delle sue dimensioni e forma, questi plasmoni possono apparire solo quando sollecitati dalla luce a una particolare lunghezza d'onda.

Nei papillon, la luce laser assorbita dai plasmoni creava elettroni caldi che alla fine trasferivano la loro energia agli atomi nel metallo, vibrando anche loro. Quell'energia viene dissipata sotto forma di calore. In continuo, fili pieni, anche la differenza di temperatura causata dal laser creava piccole tensioni. Ma quando i nanogap erano presenti, gli elettroni caldi sono passati attraverso il vuoto e hanno creato tensioni molto più grandi prima di disperdersi.

"È un risultato netto, " Natelson ha detto. "I punti principali sono, primo, che possiamo sintonizzare le proprietà termoelettriche dei metalli strutturandoli su piccola scala, in modo da poter realizzare termocoppie con un unico materiale. Secondo, un laser focalizzato può fungere da scanner, fonte di calore locale, permettendoci di mappare quegli effetti. La luce brillante sulla struttura produce un piccolo fotovoltaggio.

"E terzo, in strutture con gap di tunneling veramente su scala nanometrica (1-2 nanometri), la fototensione può essere mille volte maggiore, perché il processo di tunneling utilizza effettivamente alcuni degli elettroni ad alta energia prima che la loro energia venga dispersa in calore, " ha detto. "Questo ha il potenziale per le tecnologie dei fotorivelatori e mostra il potenziale che può essere realizzato se possiamo usare gli elettroni caldi prima che abbiano la possibilità di perdere la loro energia".

L'oro sembra essere il miglior metallo per mostrare l'effetto finora, Natelson ha detto, poiché gli esperimenti di controllo con fili nanogapped in oro-palladio e nichel non hanno funzionato altrettanto bene.

I ricercatori riconoscono diverse possibili ragioni per l'effetto drammatico, ma sospettano fortemente che sia responsabile il tunneling da parte dei vettori caldi generati dalla foto.

"Non hai bisogno di plasmoni per questo effetto, perché ogni assorbimento, almeno in breve tempo, sta per generare questi vettori caldi, " ha detto Zolotavin. "Tuttavia, se hai plasmoni, aumentano efficacemente l'assorbimento. Interagiscono con la luce in modo molto forte, e l'effetto diventa più grande perché i plasmoni aumentano l'assorbimento."