Altamente energético, elétrons "quentes" têm o potencial de ajudar os painéis solares a coletar energia luminosa de maneira mais eficiente.

Mas os cientistas não foram capazes de medir as energias desses elétrons, limitando seu uso. Pesquisadores da Purdue University e da University of Michigan construíram uma maneira de analisar essas energias.

"Tem havido muitos modelos teóricos de elétrons quentes, mas nenhum experimento direto ou medições de sua aparência, "disse Vladimir" Vlad "Shalaev (shal-AYV), Bob e Anne Burnett, da Purdue University, ilustres professores de Engenharia Elétrica e de Computação, que liderou a equipe Purdue neste trabalho colaborativo.

Em artigo publicado na revista Ciência na quinta feira, os pesquisadores demonstraram como uma técnica usando um microscópio de tunelamento integrado com lasers e outros componentes ópticos revela a distribuição de energia dos elétrons quentes.

"Medir a distribuição de energia significa quantificar quantos elétrons estão disponíveis em uma determinada quantidade de energia. Essa informação crucial estava faltando para expandir o uso de elétrons quentes, "disse Harsha Reddy, um Ph.D. estudante da Escola de Engenharia Elétrica e da Computação de Purdue e também um dos principais autores deste artigo.

Elétrons quentes são normalmente gerados através do brilho de uma certa frequência de luz em uma nanoestrutura cuidadosamente projetada feita de metais como ouro ou prata, emocionantes os chamados "plasmons de superfície". Acredita-se que esses plasmons acabem perdendo parte de sua energia para os elétrons, tornando-os quentes.

Enquanto os elétrons quentes podem ter temperaturas de até 2, 000 graus Fahrenheit, é sua alta energia - e não a temperatura do material - que os torna úteis para tecnologias de energia. Em painéis solares, energias de elétrons quentes poderiam ser mais eficientemente convertidas em energia elétrica em comparação com as abordagens convencionais.

Os elétrons quentes também podem melhorar a eficiência da tecnologia de energia, como células de combustível à base de hidrogênio em carros, acelerando as reações químicas.

"Em uma reação química típica, os reagentes precisam ter energia suficiente para cruzar um limiar para completar a reação. Se você tem esses elétrons de alta energia, alguns dos elétrons perderiam sua energia para os reagentes e os empurrariam para além desse limite, tornando a reação química mais rápida, "Reddy disse.

Reddy trabalhou com Kun Wang, um pesquisador de pós-doutorado em um grupo da Universidade de Michigan sob os professores Edgar Meyhofer e Pramod Reddy, que co-liderou o esforço de pesquisa. Juntos, eles passaram mais de 18 meses desenvolvendo a configuração experimental e outros 12 meses medindo as energias do elétron quente.

Os pesquisadores construíram um sistema que lhes permitiu detectar a diferença nas correntes de carga geradas com e sem excitar os plasmons. Essa diferença de correntes contém as informações cruciais necessárias para determinar a distribuição de energia dos elétrons quentes na nanoestrutura metálica.

O brilho de uma luz de laser em um filme de ouro com pequenas cristas excita plasmons no sistema, geração de elétrons quentes. Os pesquisadores mediram as energias dos elétrons atraindo-os através de moléculas cuidadosamente projetadas em um eletrodo de ouro na ponta de um microscópio de tunelamento. Pesquisadores da Universidade de Liverpool sintetizaram algumas das moléculas para esses experimentos.

Este método pode ser usado para aprimorar uma ampla gama de aplicações relacionadas à energia.

"Este esforço de pesquisa básica multidisciplinar lança luz sobre uma maneira única de medir a energia dos portadores de carga. Espera-se que esses resultados desempenhem um papel crucial no desenvolvimento de futuras aplicações na conversão de energia, fotocatálise e fotodetectores, por exemplo, que são de grande interesse para o Departamento de Defesa, "disse Chakrapani Varanasi, um gerente de programa do Gabinete de Pesquisa do Exército, que apoiou este estudo.