Pour la première fois, les ingénieurs et les scientifiques de Caltech ont pu observer directement le mouvement ultrarapide des électrons immédiatement après leur excitation avec un laser et ont découvert que ces électrons se diffusent dans leur environnement beaucoup plus rapidement et plus loin que prévu.

Ce comportement, connu sous le nom de "super-diffusion, " avait été émise mais jamais vue auparavant. Une équipe dirigée par Marco Bernardi de Caltech et le regretté Ahmed Zewail ont documenté le mouvement des électrons à l'aide de microscopes qui ont capturé des images avec une vitesse d'obturation d'un trillionième de seconde à une résolution spatiale à l'échelle du nanomètre. résultats apparaissent dans une étude publiée dans Communication Nature le 11 mai.

Les électrons excités présentaient un taux de diffusion 1, 000 fois plus élevé qu'avant l'excitation. Bien que le phénomène ne dure que quelques centaines de billionièmes de seconde, il offre la possibilité de manipuler des électrons chauds dans ce régime rapide pour transporter de l'énergie et de la charge dans de nouveaux dispositifs.

"Notre travail montre l'existence d'un transitoire rapide qui dure quelques centaines de picosecondes, pendant laquelle les électrons se déplacent beaucoup plus vite que leur vitesse à température ambiante, ce qui implique qu'ils peuvent couvrir de plus longues distances en un temps donné lorsqu'ils sont manipulés avec des lasers, " dit Bernardi, professeur adjoint de physique appliquée et de science des matériaux à la Division de l'ingénierie et des sciences appliquées de Caltech. "Ce comportement de non-équilibre pourrait être utilisé dans de nouveaux appareils électroniques, optoélectronique, et appareils à énergie renouvelable, ainsi que de découvrir une nouvelle physique fondamentale."

collègue de Bernardi, Le lauréat du prix Nobel Ahmed Zewail, le professeur de chimie Linus Pauling, professeur de physique, et directeur du Centre de biologie physique pour la science et la technologie ultrarapides à Caltech, décédé le 2 août 2016.

La recherche a été rendue possible grâce à la microscopie électronique ultrarapide à balayage, une technologie d'imagerie ultrarapide mise au point par Zewail, capable de créer des images avec des résolutions spatiales de la picoseconde et du nanomètre. Bernardi a développé la théorie et les modèles informatiques qui expliquent les résultats expérimentaux comme une manifestation de la super-diffusion.

Bernardi prévoit de poursuivre la recherche en tentant de répondre à la fois aux questions fondamentales sur les électrons excités (telles que la façon dont ils s'équilibrent entre eux et avec les vibrations atomiques dans les matériaux) ainsi qu'aux questions appliquées, comme la façon dont les électrons chauds pourraient augmenter l'efficacité des dispositifs de conversion d'énergie tels que les cellules solaires et les LED.