Altamente enérgico, Los electrones "calientes" tienen el potencial de ayudar a los paneles solares a recolectar energía luminosa de manera más eficiente.

Pero los científicos no han podido medir las energías de esos electrones, limitando su uso. Investigadores de la Universidad Purdue y la Universidad de Michigan construyeron una forma de analizar esas energías.

"Ha habido muchos modelos teóricos de electrones calientes, pero no se han realizado experimentos o mediciones directas de cómo se ven, "dijo Vladimir" Vlad "Shalaev (shal-AYV), Bob y Anne Burnett, profesora distinguida de ingeniería eléctrica e informática de Purdue University, quien dirigió al equipo de Purdue en este trabajo colaborativo.

En un artículo publicado en la revista Ciencias el jueves, los investigadores demostraron cómo una técnica que utiliza un microscopio de efecto túnel integrado con láseres y otros componentes ópticos revela la distribución de energía de los electrones calientes.

"Medir la distribución de energía significa cuantificar cuántos electrones están disponibles en una cierta cantidad de energía. Faltaba esa información crucial para expandir el uso de electrones calientes, "dijo Harsha Reddy, un doctorado estudiante de la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática de Purdue y autor principal igualmente contribuyente en este artículo.

Los electrones calientes se generan típicamente al hacer brillar una cierta frecuencia de luz sobre una nanoestructura cuidadosamente diseñada hecha de metales como el oro o la plata. excitantes los llamados "plasmones de superficie". Se cree que estos plasmones eventualmente pierden parte de su energía en electrones, haciéndolos calientes.

Mientras que los electrones calientes pueden tener temperaturas de hasta 2, 000 grados Fahrenheit, es su alta energía, en lugar de la temperatura del material, lo que los hace útiles para las tecnologías energéticas. En paneles solares, las energías de los electrones calientes podrían convertirse en energía eléctrica de manera más eficiente en comparación con los enfoques convencionales.

Los electrones calientes también podrían mejorar la eficiencia de la tecnología energética, como las celdas de combustible a base de hidrógeno en los automóviles, al acelerar las reacciones químicas.

"En una reacción química típica, los reactivos necesitan tener suficiente energía para cruzar un umbral para completar la reacción. Si tienes estos electrones de alta energía, algunos de los electrones perderían su energía a los reactivos y los empujarían a través de ese umbral, haciendo que la reacción química sea más rápida, "Dijo Reddy.

Reddy trabajó con Kun Wang, investigador postdoctoral en un grupo de la Universidad de Michigan con los profesores Edgar Meyhofer y Pramod Reddy, quien codirigió el esfuerzo de investigación. Juntos, pasaron más de 18 meses desarrollando la configuración experimental y otros 12 meses midiendo las energías de los electrones calientes.

Los investigadores construyeron un sistema que les permitió detectar la diferencia en las corrientes de carga generadas con y sin excitar los plasmones. Esta diferencia de corrientes contiene la información crucial necesaria para determinar la distribución de energía de los electrones calientes en la nanoestructura metálica.

Al hacer brillar una luz láser sobre una película dorada con pequeñas crestas, se excitan los plasmones en el sistema, generando electrones calientes. Los investigadores midieron las energías de los electrones atrayéndolos a través de moléculas cuidadosamente diseñadas hacia un electrodo de oro en la punta de un microscopio de efecto túnel. Investigadores de la Universidad de Liverpool sintetizaron algunas de las moléculas para estos experimentos.

Este método podría utilizarse para mejorar una amplia gama de aplicaciones relacionadas con la energía.

"Este esfuerzo multidisciplinario de investigación básica arroja luz sobre una forma única de medir la energía de los portadores de carga. Se espera que estos resultados jueguen un papel crucial en el desarrollo de aplicaciones futuras en la conversión de energía". fotocatálisis y fotodetectores, por ejemplo, que son de gran interés para el Departamento de Defensa, "dijo Chakrapani Varanasi, un gerente de programa para la Oficina de Investigación del Ejército, que apoyó este estudio.