Det är välkänt att en elektrisk ström ökar temperaturen på materialet genom vilket den leds på grund av den så kallade Joule-effekten. Denna effekt, som används dagligen i hushålls- och industrivärmare, hårtorkar, termiska säkringar, etc., uppstår eftersom de nya elektronerna som injiceras i materialet inte kan gå till de lägre energitillstånden eftersom de redan är upptagna av materialets elektroner och därför måste de börja sin resa med relativt höga energier. Dessa elektroner kallas heta bärare. Dock, när de rör sig genom materialet, heta bärare förlorar energi genom kollisioner med andra elektroner och atomer i det fasta ämnet. Processen genom vilken denna förlorade energi översätts till termisk energi och, därför, till en ökning av temperaturen, är känt som termalisering av heta bärare.

Det bör dock noteras att denna välkända effekt äger rum för mycket höga elektronflöden, som kan nå miljarder elektroner per sekund i elektroniska konventionella enheter. Därför, den avslöjar information om elektronernas kollektiva beteende, men hur lång tid det tar för var och en av dem att förlora sin energi är en allmänt svår fråga att besvara experimentellt.

I en artikel publicerad i Nanobokstäver , en grupp spanska forskare har föreslagit en ny metod för att utforska termaliseringen av heta bärare med en tillfällig upplösning på miljarddels sekund. Arbetet, som är resultatet av ett samarbete mellan det autonoma universitetet i Madrid, IFIMAC, Madrid Institute for Advanced Studies in Nanoscience (IMDEA Nanociencia), Donostia International Physics Centre (DIPC) och University of the Baskien (EHU), använde ett skanningstunnelmikroskop för att injicera elektroner i en silveryta med en hastighet tusen gånger lägre än den som motsvarar driftsströmmar i standardenheter. Forskarna undersökte energifördelningen av det emitterade ljuset vid korsningen som svar på elektroninjektion.

En naiv syn på lagen om energibevarande skulle innebära att fotoner inte bör sändas ut med energier större än spänningen som appliceras på korsningen:Experimentet, tvärtom, visar att även om antalet fotoner med energier större än den pålagda spänningen är mycket litet, det är inte helt noll. I sitt arbete, konsortiet, ledd av prof. Roberto Otero, förklarar detta fenomen som ett resultat av att man tar hänsyn till temperaturen på elektronmolnet i det fasta ämnet, och tillät forskarna att extrahera denna temperatur från energifördelningen av fotoner med energier över spänningen.

Denna analys visar att temperaturen på elektronmolnet och själva materialets temperatur sammanfaller för höga temperaturer och låga strömmar. Dock, när strömmen ökar, den uppskattade elektroniska temperaturen ökar över provets temperatur. Författarna rationaliserar detta beteende med hänsyn till att, genom att öka strömmen, den genomsnittliga tiden mellan injektionen av på varandra följande elektroner minskar. När denna tid är kortare än den tid som motsvarar termaliseringen av heta bärare, den andra elektronen som injiceras märker att elektronmolnets temperatur är högre än den i provet, eftersom energin från den första elektronen ännu inte har försvunnit helt. Om injektionen av den andra elektronen resulterar i emission av ljus, energifördelningen av ljuset med energier över spänningen kommer att reflektera temperaturen på elektronmolnet vid tidpunkten för injektion. På det här sättet, genom att mäta ljusemissionen med energier över spänningen vid olika strömmar är det möjligt att följa hastigheten med vilken termaliseringsprocessen sker.

Studien klargör arten av fotonemission över den applicerade spänningen och visar hur detta faktum är helt förenligt med nuvarande vetenskapliga kunskaper. Dessutom, det erbjuder ett nytt sätt att mäta den elektroniska temperaturen hos fasta ämnen via skanningstunnelmikroskop med atomär spatial upplösning. Och det erbjuder ett nytt verktyg för att studera termaliseringsprocesserna för heta bärare en i taget. Av alla dessa skäl, författarna är övertygade om att detta arbete är väsentligt för design och karakterisering av termiska och självlysande enheter i nanoskala, och kan ha viktiga konsekvenser för utformningen av nanometerkatalysatorer för olika kemiska reaktioner, eller tillverkning av nanometerlasrar som skulle kunna fungera med extraordinärt låga pumpeffekter.