S'ils sont rapides à ce sujet, des électrons « chauds » excités dans un métal plasmonique peuvent se frayer un chemin à travers un espace nanométrique vers un métal voisin. Les scientifiques de l'Université Rice ont déclaré que la partie cool est ce qui se passe dans l'écart.

Une équipe de Rice a découvert que ces électrons peuvent créer une tension photovoltaïque environ mille fois plus grande que ce qui est observé s'il n'y a pas d'espace. La découverte montre qu'il devrait être possible de créer des photodétecteurs à l'échelle nanométrique qui convertissent la lumière en électricité et peuvent être utilisés comme capteurs ou dans d'autres appareils électroniques sophistiqués.

Les résultats du laboratoire Rice du physicien de la matière condensée Douglas Natelson paraissent dans l'American Chemical Society's Journal des lettres de chimie physique .

Le laboratoire de Natelson étudie l'électronique, propriétés magnétiques et optiques des structures nanométriques, souvent en testant les propriétés de systèmes qui ne peuvent être observés qu'au microscope.

Certaines études impliquent des nanofils d'or entiers, et parfois le laboratoire casse le fil pour former un espace de quelques nanomètres (milliardièmes de mètre). L'un des objectifs est de comprendre si et comment les électrons franchissent le nanogap dans diverses conditions, comme les températures ultra-froides.

En regardant de telles structures, les chercheurs se sont retrouvés à étudier les caractéristiques à l'échelle nanométrique de ce que l'on appelle l'effet Seebeck (thermoélectrique), découvert en 1821, dans lequel la chaleur est convertie en électricité à la jonction de deux fils de métaux différents. Seebeck a découvert qu'une tension se formerait à travers un seul conducteur lorsqu'une partie est plus chaude que l'autre.

"Si vous voulez faire des thermostats pour la climatisation de votre maison ou de votre voiture, c'est comme ça que tu fais, " Natelson a dit. "Vous réunissez deux métaux différents pour faire un thermocouple, et collez cette jonction là où vous voulez mesurer la température. Connaissant la différence entre les coefficients Seebeck des métaux et mesurant la tension aux bornes du thermocouple, vous pouvez travailler en arrière à partir de cela pour obtenir la température."

Pour voir comment cela fonctionne dans un seul métal à l'échelle nanométrique, Natelson, L'auteur principal et ancien chercheur postdoctoral Pavlo Zolotavin et l'étudiante diplômée Charlotte Evans ont utilisé un laser pour induire un gradient de température à travers un nanofil d'or en forme de nœud papillon. Cela a créé une petite tension, compatible avec l'effet Seebeck. Mais avec un nanogap divisant le fil, "les données ont clairement montré qu'un mécanisme physique différent est à l'œuvre, " ils ont écrit.

L'or est un métal plasmonique, l'un d'une classe de métaux qui peuvent répondre à l'apport d'énergie d'un laser ou d'une autre source en excitant des plasmons sur leurs surfaces. Les excitations plasmoniques sont le ballottement d'électrons dans le métal, comme de l'eau dans un bassin.

C'est utile, Natelson a expliqué, car des plasmons oscillants peuvent être détectés. Selon le métal, sa taille et sa forme, ces plasmons ne peuvent apparaître que lorsqu'ils sont incités par la lumière à une longueur d'onde particulière.

Dans les nœuds papillon, la lumière laser absorbée par les plasmons a créé des électrons chauds qui ont finalement transféré leur énergie aux atomes du métal, les faire vibrer aussi. Cette énergie est dissipée sous forme de chaleur. En continu, fils solides, la différence de température causée par le laser a également créé de petites tensions. Mais lorsque des nanogaps étaient présents, les électrons chauds traversaient le vide et créaient des tensions beaucoup plus importantes avant de se disperser.

"C'est un beau résultat, " a déclaré Natelson. " Les points principaux sont, premier, que l'on peut régler les propriétés thermoélectriques des métaux en les structurant à petite échelle, afin que nous puissions fabriquer des thermocouples à partir d'un seul matériau. Seconde, un laser focalisé peut agir comme un scannable, source de chaleur locale, nous laisser cartographier ces effets. La lumière brillante sur la structure produit une petite tension photovoltaïque.

"Et troisièmement, dans des structures avec des espaces tunnels vraiment nanométriques (1-2 nanomètres), le photovoltage peut être mille fois plus grand, parce que le processus de tunnel utilise efficacement certains des électrons à haute énergie avant que leur énergie ne soit perdue en chaleur, ", a-t-il déclaré. "Cela a un potentiel pour les technologies de photodétecteurs et montre le potentiel qui peut être réalisé si nous pouvons utiliser des électrons chauds avant qu'ils n'aient une chance de perdre leur énergie."

L'or semble être le meilleur métal pour montrer l'effet jusqu'à présent, Natelson a dit, car les expériences de contrôle avec des fils à nano-espacement d'or-palladium et de nickel n'ont pas donné de bons résultats.

Les chercheurs reconnaissent plusieurs raisons possibles pour l'effet dramatique, mais ils soupçonnent fortement le tunnelage par les porteurs chauds photo-générés d'en être responsable.

"Vous n'avez pas besoin de plasmons pour cet effet, car toute absorption, au moins en peu de temps, va générer ces porteurs chauds, " a déclaré Zolotavin. " Cependant, si vous avez des plasmons, ils augmentent efficacement l'absorption. Ils interagissent très fortement avec la lumière, et l'effet devient plus important parce que les plasmons augmentent l'absorption."