Om de är snabba med det, "heta" elektroner exciterade i en plasmonisk metall kan tunnla sig över ett gap i nanoskala till en angränsande metall. Rice University forskare sa att den coola delen är vad som händer i gapet.

Ett Rice-team upptäckte att elektronerna kan skapa en fotospänning som är ungefär tusen gånger större än vad som kan ses om det inte finns något gap. Fyndet visar att det borde vara möjligt att skapa fotodetektorer i nanoskala som omvandlar ljus till elektricitet och kan användas som sensorer eller i annan sofistikerad elektronik.

Resultat från Rice lab av kondenserad materia fysikern Douglas Natelson visas i American Chemical Society's Journal of Physical Chemistry Letters .

Natelsons labb studerar det elektroniska, magnetiska och optiska egenskaper hos strukturer i nanoskala, ofta genom att testa egenskaperna hos system som bara kan ses i mikroskop.

Vissa studier involverar hela guld nanotrådar, och ibland bryter labbet av tråden för att bilda ett gap på bara några nanometer (miljarddelar av en meter). Ett mål är att förstå om och hur elektroner hoppar över nanogap under olika förhållanden, som ultrakalla temperaturer.

När man tittar på sådana strukturer, forskarna upptäckte att de studerade egenskaperna i nanoskala hos vad som kallas Seebeck (termoelektrisk) effekt, upptäcktes 1821, där värme omvandlas till elektricitet vid föreningspunkten mellan två ledningar av olika metaller. Seebeck upptäckte att en spänning skulle bildas över en enda ledare när en del är varmare än den andra.

"Om du vill göra termostater för ditt hus eller din bils klimatkontroll, så här gör du, " Sa Natelson. "Du sammanfogar två olika metaller för att göra ett termoelement, och håll den där korsningen där du vill mäta temperaturen. Att känna till skillnaden mellan Seebeck-koefficienterna för metallerna och mäta spänningen över termoelementet, du kan arbeta bakåt från det för att få temperaturen."

För att se hur det fungerar i en enda metall på nanoskala, Natelson, huvudförfattaren och tidigare postdoktorala forskaren Pavlo Zolotavin och doktorand Charlotte Evans använde en laser för att framkalla en temperaturgradient över en nanotråd i guldformad fluga. Det skapade en liten spänning, överensstämmer med Seebeck-effekten. Men med en nanogap som delar av tråden, "datan klargjorde att en annan fysisk mekanism är på gång, " de skrev.

Guld är en plasmonisk metall, en av en klass av metaller som kan svara på energiinmatning från en laser eller annan källa genom att excitera plasmoner på deras ytor. Plasmonexcitationer är fram och tillbaka svallning av elektroner i metallen, som vatten i en bassäng.

Detta är användbart, Natelson förklarade, eftersom oscillerande plasmoner kan detekteras. Beroende på metallen och dess storlek och form, dessa plasmoner kanske bara dyker upp när de uppmanas av ljus vid en viss våglängd.

I flugorna, laserljus som absorberades av plasmonerna skapade heta elektroner som så småningom överförde sin energi till atomerna i metallen, vibrerar dem också. Den energin försvinner som värme. I kontinuerlig, solida ledningar, temperaturskillnaden orsakad av lasern skapade också små spänningar. Men när nanogap var närvarande, de heta elektronerna passerade genom tomrummet och skapade mycket större spänningar innan de spreds.

"Det är ett snyggt resultat, ", sa Natelson. "Huvudpunkterna är, först, att vi kan ställa in metallers termoelektriska egenskaper genom att strukturera dem i små skalor, så att vi kan göra termoelement av ett material. Andra, en fokuserad laser kan fungera som en skanningsbar, lokal värmekälla, låt oss kartlägga dessa effekter. Lysande ljus på strukturen ger en liten fotospänning.

"Och för det tredje, i strukturer med verkligt nanoskala tunnelgap (1-2 nanometer), fotospänningen kan vara tusen gånger större, eftersom tunnlingsprocessen effektivt använder några av högenergielektronerna innan deras energi går förlorad till värme, ", sa han. "Detta har potential för fotodetektorteknologier och visar potentialen som kan realiseras om vi kan använda heta elektroner innan de har en chans att förlora sin energi."

Guld verkar vara den bästa metallen för att visa effekten hittills, Natelson sa, som kontrollexperiment med guld-palladium och nickel nanokopplade trådar inte fungerade lika bra.

Forskarna erkänner flera möjliga orsaker till den dramatiska effekten, men de misstänker starkt att tunnelering av fotogenererade heta bärare är ansvarig.

"Du behöver inte plasmoner för den här effekten, eftersom all absorption, åtminstone på kort tid, kommer att generera dessa heta bärare, " sa Zolotavin. "Men, om du har plasmoner, de ökar effektivt absorptionen. De interagerar mycket starkt med ljus, och effekten blir större eftersom plasmonerna gör absorptionen större."