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  • Filmando la muerte térmica de los electrones en la materia

    Figura 1. (a) Representación esquemática del experimento:una corriente de túnel fluye desde una punta de Au STM a una superficie de Ag (111) que excita plasmones, cuya desintegración radiativa conduce a la emisión de fotones. (b) Diagrama de niveles que muestra que el ancho de la ventana de energía de los posibles estados inicial y final de un proceso de túnel inelástico que excita un plasmón de energía hν es eV B - hν; es decir., para bajas energías de fotones, las transiciones más inelásticas contribuyen a la emisión. Para energías de fotones superiores a la tensión de polarización, los procesos inelásticos que unen estados ocupados en la punta y estados vacíos en la muestra se vuelven imposibles. (c) Espectros de electroluminiscencia de túnel registrados a 4,9 K con un voltaje de polarización de 3,5 V, donde se puede acceder a todos los modos de cavidad plasmónica relevantes mediante procesos inelásticos, y a voltajes más bajos (2,4-2,5 V), demostrando la supresión de intensidad a energías de fotones mayores que la polarización aplicada. Recuadro:Zoom en el borde de emisión. La cola de emisión de overbias está sombreada. (d) Comparación entre la dependencia del voltaje de la amplitud de sobrebias (A, es decir., la intensidad de la luz en el punto de corte) y la emisión total integrada ( I luz T , es decir., intensidad de luz integrada a energías mayores que el límite) con los espectros completamente desarrollados a 3,5 V. (e) Normalización de los espectros del borde de emisión a diferentes voltajes por sus respectivas amplitudes, A, hace que el voltaje del espectro sea independiente. Crédito:DOI:10.1021 / acs.nanolett.1c00951

    Es bien sabido que una corriente eléctrica aumenta la temperatura del material a través del cual se conduce debido al llamado efecto Joule. Este efecto, que se utiliza a diario en calentadores domésticos e industriales, secadoras de cabello, fusibles térmicos, etc., ocurre porque los nuevos electrones inyectados en el material no pueden pasar a los estados de menor energía porque ya están ocupados por los electrones del material y por lo tanto deben comenzar su viaje con energías relativamente altas. Estos electrones se denominan portadores calientes. Sin embargo, a medida que se mueven a través del material, los portadores calientes pierden energía a través de colisiones con otros electrones y átomos en el sólido. El proceso por el cual esta energía perdida se traduce en energía térmica y, por lo tanto, en un aumento de temperatura, se conoce como termalización de portadores calientes.

    Sin embargo, debe tenerse en cuenta que este conocido efecto tiene lugar para flujos de electrones muy altos, que puede alcanzar miles de millones de electrones por segundo en dispositivos electrónicos convencionales. Por lo tanto, revela información sobre el comportamiento colectivo de los electrones, pero cuánto tiempo le toma a cada uno de ellos perder su energía es una pregunta generalmente difícil de responder experimentalmente.

    En un artículo publicado en Nano letras , un grupo de investigadores españoles ha propuesto un nuevo método para explorar la termalización de portadores calientes con resolución temporal de mil millonésimas de segundo. La obra, que resulta de una colaboración entre la Universidad Autónoma de Madrid, IFIMAC, el Instituto de Estudios Avanzados en Nanociencia de Madrid (IMDEA Nanociencia), el Centro Internacional de Física de Donostia (DIPC) y la Universidad del País Vasco (EHU), utilizó un microscopio de túnel de barrido para inyectar electrones en una superficie de plata a una velocidad mil veces menor que la correspondiente a las corrientes de funcionamiento de los dispositivos estándar. Los investigadores examinaron la distribución de energía de la luz emitida en la unión en respuesta a la inyección de electrones.

    Una visión ingenua de la ley de conservación de la energía implicaría que los fotones no deberían emitirse con energías mayores que el voltaje aplicado a la unión:el experimento, de lo contrario, muestra que aunque el número de fotones con energías mayores que el voltaje aplicado es muy pequeño, no es completamente cero. En su trabajo, el consorcio, dirigido por el Prof. Roberto Otero, explica este fenómeno como resultado de tener en cuenta la temperatura de la nube de electrones del sólido, y permitió a los investigadores extraer esta temperatura de la distribución de energía de los fotones con energías por encima del voltaje.

    Este análisis muestra que la temperatura de la nube de electrones y la del propio material coinciden para altas temperaturas y bajas corrientes. Sin embargo, a medida que aumenta la corriente, la temperatura electrónica estimada aumenta por encima de la temperatura de la muestra. Los autores racionalizan este comportamiento teniendo en cuenta que, aumentando la corriente, el tiempo medio entre la inyección de electrones consecutivos disminuye. Cuando este tiempo sea menor que el correspondiente a la termalización de portadores calientes, el segundo electrón inyectado nota que la temperatura de la nube de electrones es más alta que la de la muestra, porque la energía del primer electrón aún no se ha disipado por completo. Si la inyección del segundo electrón da como resultado la emisión de luz, la distribución de energía de la luz con energías por encima del voltaje reflejará la temperatura de la nube de electrones en el momento de la inyección. De este modo, midiendo la emisión de luz con energías superiores a la tensión a diferentes corrientes es posible seguir la velocidad con la que se lleva a cabo el proceso de termolización.

    El estudio aclara la naturaleza de la emisión de fotones por encima del voltaje aplicado y muestra cómo este hecho es perfectamente coherente con el conocimiento científico actual. Adicionalmente, Ofrece una nueva forma de medir la temperatura electrónica de los sólidos mediante un microscopio de túnel de barrido con resolución espacial atómica. Y ofrece una nueva herramienta para estudiar los procesos de termalización de los transportadores calientes de uno en uno. Por todas estas razones, los autores confían en que este trabajo es fundamental para el diseño y caracterización de dispositivos térmicos y luminiscentes a nanoescala, y podría tener implicaciones importantes para el diseño de catalizadores nanométricos para diferentes reacciones químicas, o la fabricación de láseres nanométricos que podrían funcionar con una potencia de bombeo extraordinariamente baja.


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