Il est bien connu qu'un courant électrique augmente la température du matériau dans lequel il est conduit en raison de ce que l'on appelle l'effet Joule. Cet effet, qui est utilisé quotidiennement dans les appareils de chauffage domestiques et industriels, sèche-cheveux, fusibles thermiques, etc., se produit parce que les nouveaux électrons injectés dans le matériau ne peuvent pas aller vers les états d'énergie inférieurs car ceux-ci sont déjà occupés par les électrons du matériau et doivent donc commencer leur voyage avec des énergies relativement élevées. Ces électrons sont appelés porteurs chauds. Cependant, lorsqu'ils se déplacent à travers le matériau, les porteurs chauds perdent de l'énergie par collisions avec d'autres électrons et atomes du solide. Le processus par lequel cette énergie perdue est convertie en énergie thermique et, donc, dans une augmentation de la température, est connue sous le nom de thermalisation des porteurs chauds.

Il est à noter cependant que cet effet bien connu se produit pour des flux d'électrons très élevés, qui peut atteindre des milliards d'électrons par seconde dans les appareils électroniques conventionnels. Par conséquent, il révèle des informations sur le comportement collectif des électrons, mais combien de temps il faut à chacun d'eux pour perdre leur énergie est une question généralement difficile à répondre expérimentalement.

Dans un article publié dans Lettres nano , un groupe de chercheurs espagnols a proposé une nouvelle méthode pour explorer la thermalisation des porteurs chauds avec une résolution temporaire du milliardième de seconde. L'oeuvre, qui résulte d'une collaboration entre l'Université Autonome de Madrid, IFIMAC, l'Institut d'études avancées en nanosciences de Madrid (IMDEA Nanociencia), le Centre International de Physique de Donostia (DIPC) et l'Université du Pays Basque (EHU), utilisé un microscope à tunnel à balayage pour injecter des électrons dans une surface d'argent à un taux mille fois inférieur à celui correspondant aux courants de fonctionnement dans les appareils standard. Les chercheurs ont examiné la distribution d'énergie de la lumière émise à la jonction en réponse à l'injection d'électrons.

Une vision naïve de la loi de conservation de l'énergie impliquerait que les photons ne doivent pas être émis avec des énergies supérieures à la tension appliquée à la jonction :L'expérience, au contraire, montre que bien que le nombre de photons avec des énergies supérieures à la tension appliquée soit très faible, il n'est pas complètement nul. Dans son travail, le groupement, dirigé par le professeur Roberto Otero, explique ce phénomène par la prise en compte de la température du nuage électronique du solide, et a permis aux chercheurs d'extraire cette température de la distribution d'énergie des photons avec des énergies supérieures à la tension.

Cette analyse montre que la température du nuage d'électrons et celle du matériau lui-même coïncident pour des températures élevées et des courants faibles. Cependant, au fur et à mesure que le courant augmente, la température électronique estimée augmente au-dessus de la température de l'échantillon. Les auteurs rationalisent ce comportement en tenant compte du fait que, en augmentant le courant, le temps moyen entre les injections d'électrons consécutifs diminue. Lorsque ce temps est inférieur au temps correspondant à la thermalisation des porteurs chauds, le deuxième électron injecté remarque que la température du nuage d'électrons est supérieure à celle de l'échantillon, car l'énergie du premier électron n'est pas encore complètement dissipée. Si l'injection du deuxième électron entraîne l'émission de lumière, la distribution d'énergie de la lumière avec des énergies supérieures à la tension reflétera la température du nuage d'électrons au moment de l'injection. De cette façon, en mesurant l'émission de lumière avec des énergies supérieures à la tension à différents courants, il est possible de suivre la vitesse à laquelle se déroule le processus de thermalisation.

L'étude clarifie la nature de l'émission de photons au-dessus de la tension appliquée et montre comment ce fait est parfaitement cohérent avec les connaissances scientifiques actuelles. En outre, il offre une nouvelle façon de mesurer la température électronique des solides via un microscope à tunnel à balayage avec une résolution spatiale atomique. Et il offre un nouvel outil pour étudier un à un les processus de thermalisation des porteurs chauds. Pour toutes ces raisons, les auteurs sont convaincus que ce travail est essentiel pour la conception et la caractérisation de dispositifs thermiques et luminescents à l'échelle nanométrique, et pourrait avoir des implications importantes pour la conception de catalyseurs nanométriques pour différentes réactions chimiques, ou la fabrication de lasers nanométriques qui pourraient fonctionner avec des puissances de pompage extrêmement faibles.