Het zien van licht uit een experiment op nanoschaal kwam niet als een grote verrassing voor natuurkundigen van Rice University. Maar het trok hun aandacht toen dat licht 10 was, 000 keer helderder dan ze hadden verwacht.

Natuurkundige Doug Natelson van de gecondenseerde materie en zijn collega's van Rice en de Universiteit van Colorado Boulder ontdekten deze enorme emissie van een opening op nanoschaal tussen twee elektroden gemaakt van plasmonische materialen. vooral goud.

Het lab had een paar jaar geleden ontdekt dat geëxciteerde elektronen door het gat springen, een fenomeen dat bekend staat als tunneling, creëerde een grotere spanning dan wanneer er geen opening in de metalen platforms zou zijn.

In de nieuwe studie in het tijdschrift American Chemical Society Nano-letters , toen deze hete elektronen werden gecreëerd door elektronen die werden aangedreven om tussen gouden elektroden te tunnelen, hun recombinatie met gaten straalde helder licht uit, en hoe groter de ingangsspanning, hoe helderder het licht.

De studie onder leiding van Natelson en hoofdauteurs Longji Cui en Yunxuan Zhu verschijnt in het tijdschrift American Chemical Society Nano-letters en zou interessant moeten zijn voor degenen die opto-elektronica onderzoeken, kwantumoptica en fotokatalyse.

Het effect hangt af van de plasmonen van het metaal, rimpelingen van energie die over het oppervlak stromen. "Mensen hebben het idee onderzocht dat de plasmonen belangrijk zijn voor het elektrisch aangedreven lichtemissiespectrum, maar in de eerste plaats niet deze hete dragers genereren, " Zei Natelson. "Nu weten we dat plasmonen meerdere rollen spelen in dit proces."

De onderzoekers vormden verschillende metalen tot microscopisch kleine, vlinderdasvormige elektroden met nanogaps, een door het lab ontwikkeld testbed waarmee ze gelijktijdig elektronentransport en optische spectroscopie kunnen uitvoeren. Goud presteerde het beste onder de elektroden die ze probeerden, waaronder verbindingen met plasmon-dempend chroom en palladium, gekozen om het aandeel van de plasmonen in het fenomeen te helpen bepalen.

"Als de enige rol van de plasmonen is om het licht uit te koppelen, dan kan het verschil tussen werken met goud en zoiets als palladium een ​​factor 20 of 50 zijn, " zei Natelson. "Het feit dat het een factor 10 is, 000 vertelt je dat er iets anders aan de hand is."

De reden lijkt te zijn dat plasmonen "bijna onmiddellijk" vervallen in hete elektronen en gaten, hij zei. "Dat voortdurende karnen, stroom gebruiken om het materiaal te schoppen om meer elektronen en gaten te genereren, geeft ons deze stationaire hete distributie van dragers, en we hebben het minutenlang kunnen volhouden, ' zei Natelson.

Door het spectrum van het uitgestraalde licht, de metingen van de onderzoekers onthulden dat die hete dragers echt heet zijn, temperaturen boven de 3 bereiken, 000 graden Fahrenheit terwijl de elektroden relatief koel blijven, zelfs met een bescheiden ingang van ongeveer 1 volt.

Natelson zei dat de ontdekking nuttig zou kunnen zijn in de opmars van opto-elektronica en kwantumoptica, de studie van licht-materie interacties op verdwijnend kleine schaal. "En aan de chemiekant, dit idee dat je zeer hete dragers kunt hebben is opwindend, " zei hij. "Het houdt in dat je bepaalde chemische processen sneller dan normaal kunt laten verlopen.

"Er zijn veel onderzoekers die geïnteresseerd zijn in plasmonische fotokatalyse, waar je licht in schijnt, plasmonen opwekken en de hete dragers van die plasmonen doen interessante chemie, " zei hij. "Dit is een aanvulling daarop. In principe, je zou plasmonen elektrisch kunnen prikkelen en de hete dragers die ze produceren kunnen interessante chemie opleveren."