Densités de puissance entrant dans les systèmes thermiques d'électrons et de réseau (We-e en losanges verts et We-ph en triangles oranges, respectivement), par rapport à la puissance allant aux électrons non thermiques (\(W_{ex}^{NT}\) dans les carrés bleus), le tout en fonction du champ local. La fraction de puissance qui s'écoule dans les canaux thermiques (c'est-à-dire pour chauffer les systèmes) est sensiblement plus importante que celle qui entre dans la génération d'électrons non thermiques. Crédit :Yonatan Dubi &Yonatan Sivan
Qu'arrive-t-il à un morceau de métal lorsque vous l'éclairez? Cette question, qui a été l'une des forces motrices de la physique moderne, un regain d'intérêt ces dernières années, avec les progrès de la fabrication de petites nanoparticules métalliques. Lorsqu'un morceau de métal est très petit, il s'avère qu'il peut très bien se coupler à la lumière visible. L'étude des aspects fondamentaux et applicables de cette interaction est généralement appelée plasmonique.
Dans le domaine de la plasmonique – et en considérant les nanoparticules métalliques – deux réponses différentes ont émergé à la question posée ci-dessus. La première, qui repose sur la physique classique et est assez intuitif, c'est que la nanoparticule chauffe. En effet, le fait que les nanoparticules illuminées servent de sources de chaleur localisées a trouvé une grande variété d'applications, du traitement du cancer au dessalement de l'eau. La deuxième réponse est plus subtile, et suggère que lors de l'illumination, les électrons s'écartent de l'équilibre et occupent une distribution non-Fermi, caractérisé par un excès d'électrons aux hautes énergies, soi-disant « électrons chauds ».
Ces deux modèles, chauffage vs "électrons chauds, " sont généralement présentés comme orthogonaux, et les théories abordent l'une ou l'autre. Dans un ouvrage récent, dirigé par les groupes du Prof. Yonatan Sivan et Yonatan Dubi (tous deux de l'Université Ben Gourion, Israël), ces deux images ont été fusionnées en un seul cadre théorique, ce qui leur a permis d'évaluer pleinement à la fois la distribution des électrons et les températures des électrons et du réseau d'une nanoparticule illuminée. Les résultats de leurs recherches ont été publiés dans Lumière :science et applications .
L'image qui se dégage de leur étude est qu'en effet les deux effets – échauffement et génération d'« électrons chauds » – sont présents. Encore, contrairement à de nombreuses affirmations récentes, le chauffage est bien plus important, et utilise la plus grande partie de la puissance d'éclairage. Seule une infime fraction (moins d'un millionième) de la puissance absorbée est canalisée vers la génération d'"électrons chauds, " qui est donc un processus extrêmement inefficace.
De nombreuses études expérimentales et théoriques ont célébré la promesse d'exploiter des "électrons chauds" pour remplir diverses fonctions, de la photo-détection à la photo-catalyse. Les travaux de Sivan et Dubi permettent une évaluation réaliste de l'efficacité de la récupération d'énergie à l'aide « d'électrons chauds, " et examine les limites de cette efficacité. Par ailleurs, il constitue une première étape essentielle vers un calcul réaliste du processus complet de récupération d'énergie dans de nombreux systèmes, des systèmes photocatalytiques améliorés plasmoniques aux cellules solaires.
