Vad händer med en metallbit när du lyser upp den? Den här frågan, som har varit en av de drivande krafterna i modern fysik, fått förnyat intresse de senaste åren, med framstegen i tillverkningen av små metalliska nanopartiklar. När en metallbit är mycket liten, det visar sig att det kan kopplas extremt bra till synligt ljus. Studiet av grundläggande och tillämpliga aspekter av denna interaktion kallas vanligtvis plasmonik.

Inom området plasmonik - och med tanke på metalliska nanopartiklar - kom två olika svar på frågan ovan. Den första, som bygger på klassisk fysik och är ganska intuitiv, är att nanopartikeln värms upp. Verkligen, det faktum att belysta nanopartiklar fungerar som lokaliserade värmekällor har funnit en mängd olika tillämpningar, från cancerbehandling till avsaltning av vatten. Det andra svaret är subtilare, och föreslår att vid belysning, elektronerna avviker från jämvikt och upptar en icke-Fermi-fördelning, kännetecknas av ett överskott av elektroner vid höga energier, så kallade "heta elektroner".

Dessa två modeller, värme vs "heta elektroner, "presenteras vanligtvis som ortogonala, och teorier vänder sig antingen till det ena eller det andra. I ett färskt arbete, utförs av grupperna av professor Yonatan Sivan och Yonatan Dubi (båda från Ben-Gurion University, Israel), dessa två bilder slogs samman till en enda teoretisk ram, vilket gjorde det möjligt för dem att fullt ut utvärdera både elektronfördelningen och elektron- och gittertemperaturerna för en upplyst nanopartikel. Deras forskningsresultat publicerades i Ljus:Vetenskap och tillämpningar .

Bilden som framgår av deras studie är att de två effekterna - uppvärmning och alstring av "heta elektroner" - faktiskt är närvarande. Än, i motsats till många senaste påståenden, uppvärmning är mycket viktigare, och använder det mesta av belysningseffekten. Endast en liten bråkdel (mindre än en miljonedel) av effektinmatningen kanaliseras till generering av "heta elektroner, "vilket alltså är en extremt ineffektiv process.

Många experimentella och teoretiska studier har firat löftet att utnyttja "heta elektroner" för att utföra olika funktioner, från fotodetektering till fotokatalys. Sivans och Dubis arbete möjliggör en realistisk utvärdering av energieffektivitet med hjälp av "heta elektroner, "och undersöker gränserna för denna effektivitet. Dessutom det fungerar som ett viktigt första steg mot en realistisk beräkning av hela energihämtningsprocessen i många system, från plasmonförstärkta fotokatalytiska system till solceller.