Por primera vez, Los ingenieros y científicos de Caltech han podido observar directamente el movimiento ultrarrápido de los electrones inmediatamente después de que se excitan con un láser, y han descubierto que estos electrones se difunden en su entorno mucho más rápido y más lejos de lo esperado.

Este comportamiento, conocido como "superdifusión, "se había planteado la hipótesis, pero nunca antes visto. Un equipo dirigido por Marco Bernardi de Caltech y el fallecido Ahmed Zewail documentó el movimiento de los electrones utilizando microscopios que capturaron imágenes con una velocidad de obturación de una billonésima de segundo a una resolución espacial de escala nanométrica. Los hallazgos aparecen en un estudio publicado en Comunicaciones de la naturaleza el 11 de mayo.

Los electrones excitados exhibieron una tasa de difusión 1, 000 veces mayor que antes de la excitación. Aunque el fenómeno solo dura unos cientos de billonésimas de segundo, proporciona el potencial para la manipulación de electrones calientes en este régimen rápido para transportar energía y carga en dispositivos novedosos.

"Nuestro trabajo muestra la existencia de un transitorio rápido que dura unos cientos de picosegundos, durante el cual los electrones se mueven mucho más rápido que su velocidad a temperatura ambiente, lo que implica que pueden cubrir distancias más largas en un tiempo dado cuando se manipulan con láseres, "dice Bernardi, profesor asistente de física aplicada y ciencia de los materiales en la División de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Caltech. "Este comportamiento de desequilibrio podría emplearse en nuevos sistemas electrónicos, optoelectrónico y dispositivos de energía renovable, así como descubrir nueva física fundamental ".

Colega de Bernardi, Premio Nobel Ahmed Zewail, el profesor de química Linus Pauling, profesor de física, y director del Centro de Biología Física para Ciencia y Tecnología Ultrarrápidas en Caltech, falleció el 2 de agosto, 2016.

La investigación fue posible gracias a la microscopía electrónica ultrarrápida de barrido, una tecnología de imágenes ultrarrápidas impulsada por Zewail que es capaz de crear imágenes con resoluciones espaciales nanométricas y de tiempo de picosegundos. Bernardi desarrolló la teoría y los modelos informáticos que explican los resultados experimentales como una manifestación de superdifusión.

Bernardi planea continuar la investigación intentando responder tanto a preguntas fundamentales sobre los electrones excitados (como cómo se equilibran entre sí y con las vibraciones atómicas en los materiales) como a las aplicadas, por ejemplo, cómo los electrones calientes podrían aumentar la eficiencia de los dispositivos de conversión de energía como las células solares y los LED.