Très énergique, les électrons "chauds" ont le potentiel d'aider les panneaux solaires à récupérer plus efficacement l'énergie lumineuse.

Mais les scientifiques n'ont pas pu mesurer les énergies de ces électrons, limiter leur utilisation. Des chercheurs de l'Université Purdue et de l'Université du Michigan ont mis au point un moyen d'analyser ces énergies.

"Il y a eu de nombreux modèles théoriques d'électrons chauds, mais aucune expérience directe ou mesure de leur apparence, " a déclaré Vladimir "Vlad" Shalaev (shal-AYV), Bob et Anne Burnett, professeur émérite de génie électrique et informatique de l'Université Purdue, qui a dirigé l'équipe Purdue dans ce travail collaboratif.

Dans un article publié dans la revue Science jeudi, les chercheurs ont démontré comment une technique utilisant un microscope à effet tunnel intégré à des lasers et d'autres composants optiques révèle la distribution d'énergie des électrons chauds.

"Mesurer la distribution d'énergie, c'est quantifier le nombre d'électrons disponibles pour une certaine quantité d'énergie. Cette information cruciale manquait pour étendre l'utilisation des électrons chauds, " dit Harsha Reddy, un doctorat étudiant à l'École de génie électrique et informatique de Purdue et un auteur principal contribuant également à cet article.

Les électrons chauds sont généralement générés en projetant une certaine fréquence de lumière sur une nanostructure soigneusement conçue en métaux tels que l'or ou l'argent, excitant ce qu'on appelle les "plasmons de surface". On pense que ces plasmons finissent par perdre une partie de leur énergie au profit des électrons, les rendant chauds.

Alors que les électrons chauds peuvent avoir des températures aussi élevées que 2, 000 degrés Fahrenheit, c'est leur énergie élevée, plutôt que la température du matériau, qui les rend utiles pour les technologies énergétiques. Dans les panneaux solaires, les énergies des électrons chauds pourraient être converties plus efficacement en énergie électrique par rapport aux approches conventionnelles.

Les électrons chauds pourraient également améliorer l'efficacité des technologies énergétiques telles que les piles à combustible à base d'hydrogène dans les voitures en accélérant les réactions chimiques.

"Dans une réaction chimique typique, les réactifs doivent avoir suffisamment d'énergie pour franchir un seuil pour terminer la réaction. Si vous avez ces électrons de haute énergie, certains des électrons perdraient leur énergie au profit des réactifs et les pousseraient au-delà de ce seuil, rendre la réaction chimique plus rapide, " dit Reddy.

Reddy a travaillé avec Kun Wang, chercheur postdoctoral dans un groupe de l'Université du Michigan sous la direction des professeurs Edgar Meyhofer et Pramod Reddy, qui a codirigé l'effort de recherche. Ensemble, ils ont passé plus de 18 mois à développer le dispositif expérimental et 12 mois supplémentaires à mesurer les énergies des électrons chauds.

Les chercheurs ont construit un système qui leur a permis de détecter la différence de courants de charge générés avec et sans excitation des plasmons. Cette différence de courants contient les informations cruciales nécessaires pour déterminer la distribution d'énergie des électrons chauds dans la nanostructure métallique.

Faire briller une lumière laser sur un film d'or avec de minuscules crêtes excite les plasmons dans le système, générer des électrons chauds. Les chercheurs ont mesuré les énergies des électrons en les attirant à travers des molécules soigneusement conçues dans une électrode en or à la pointe d'un microscope à effet tunnel. Des chercheurs de l'Université de Liverpool ont synthétisé certaines des molécules pour ces expériences.

Cette méthode pourrait être utilisée pour améliorer un large éventail d'applications liées à l'énergie.

"Cet effort de recherche fondamentale multidisciplinaire met en lumière un moyen unique de mesurer l'énergie des porteurs de charge. Ces résultats devraient jouer un rôle crucial dans le développement d'applications futures dans la conversion d'énergie, photocatalyse et photodétecteurs, par exemple, qui sont d'un grand intérêt pour le ministère de la Défense, " dit Chakrapani Varanasi, un gestionnaire de programme pour le bureau de recherche de l'armée, qui a soutenu cette étude.