Τα θερμά ηλεκτρόνια διαχέονται 100 φορές πιο γρήγορα από το συνηθισμένο
Το να αγγίξετε κατά λάθος τη ζεστή σχάρα του φούρνου σας κάνει να συνειδητοποιήσετε οδυνηρά ότι τα μέταλλα είναι πολύ καλά στη μεταφορά της θερμότητας. Αν μπορούσαμε να κάνουμε μεγέθυνση στο ατομικό επίπεδο, θα βλέπαμε ότι φταίνε τα μικροσκοπικά ηλεκτρόνια. Ο ίδιος λόγος για τον οποίο η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να ρέει ελεύθερα προς τα χάλκινα καλώδια εξηγεί επίσης γιατί τα ηλεκτρόνια είναι εξίσου κατάλληλα για να μεταφέρουν αυτούς τους εκατοντάδες βαθμούς θερμότητας του φούρνου κατευθείαν στις νευρικές απολήξεις του δακτύλου σας. Και να σκεφτείς ότι ένα λεπτό γάντι φούρνου σιλικόνης με την κατώτερη θερμική του αγωγιμότητα θα σε είχε γλιτώσει εύκολα από αυτόν τον πόνο που προκαλεί σκέψη.
Αυτή η μικροσκοπική άποψη του σημαντικού ρόλου των ηλεκτρονίων αγωγιμότητας για τη μεταφορά της θερμότητας στα μέταλλα πηγαίνει πολύ πίσω. Πράγματι, η μεταφορά θερμότητας σε στερεά είναι ένα από τα παλαιότερα προβλήματα της φυσικής, που χρονολογείται από τις αρχαιότερες συνθέσεις της θερμοδυναμικής. Το 1822, ο Joseph Fourier διατύπωσε για πρώτη φορά τον κλασικό νόμο της αγωγιμότητας της θερμότητας, περιγράφοντας πώς η θερμότητα ρέει από το θερμό άκρο ενός υλικού στο ψυχρό. Σχεδόν μια δεκαετία αργότερα, το 1905, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν απέδειξε περίφημα ότι αυτός ο τύπος μακροσκοπικής μεταφοράς μπορεί να προέλθει από την τυχαία κίνηση μικροσκοπικών σωματιδίων.
Πολλές δεκαετίες έρευνας από τότε έχουν συμβάλει σε μια μικροσκοπική περιγραφή της θερμότητας, προωθώντας σημαντικά την κατανόηση της (κβαντικής) φύσης των φορέων θερμότητας. Γνωρίζουμε τώρα ότι η θερμότητα στα στερεά μεταφέρεται από διεγέρσεις του ατομικού πλέγματος, γνωστά ως φωνόνια, καθώς και από ηλεκτρόνια ελεύθερης αγωγιμότητας. Ο κλασικός νόμος της αγωγιμότητας της θερμότητας εξακολουθεί να χρησιμοποιείται σήμερα για να περιγράψει τη θερμική μεταφορά σε όλες εκτός από τις πιο ακραίες περιπτώσεις.
Πιο πρόσφατα, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι αυτός ο κλασικός νόμος καταρρέει όταν η θέρμανση συμβαίνει σε απίστευτα γρήγορες χρονικές κλίμακες. Όταν παλμοί φωτός με διάρκεια μικρότερη από ένα τρισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου (<1 picosecond) λάμπουν σε ένα μέταλλο, η απορροφούμενη ενέργεια μεταφέρεται στα ηλεκτρόνια, οδηγώντας σε μια κατάσταση τοπικής μη ισορροπίας, όπου ο νόμος του Fourier πρέπει να αναθεωρηθεί . Ενώ το ατομικό πλέγμα παραμένει σχετικά δροσερό, τα ηλεκτρόνια θερμαίνονται έως και χιλιάδες βαθμούς. Ωστόσο, αυτά τα εξαιρετικά καυτά ηλεκτρόνια δεν προκαλούν την τήξη του μετάλλου. Αυτό συμβαίνει επειδή αυτή η υψηλή θερμοκρασία διαρκεί μόνο για πολύ μικρό χρονικό διάστημα. Μετά από μερικά ακόμη πικοδευτερόλεπτα, η θερμοκρασία του μετάλλου καταλήγει μόνο δεκάδες βαθμούς πάνω από τη θερμοκρασία δωματίου. Πού πήγε λοιπόν όλη αυτή η ζέστη;
Για να απαντήσουν σε αυτό το ερώτημα, επιστήμονες από το Ινστιτούτο Φωτονικών Επιστημών (ICFO) στην Ισπανία ανέπτυξαν ένα μικροσκόπιο που είναι ικανό να παρακολουθεί θερμά ηλεκτρόνια καταγράφοντας βίντεο με πρωτοφανή ταυτόχρονη χωρική και χρονική ανάλυση. Φωτίζοντας λεπτές μεμβράνες χρυσού με δύο χωρικά και χρονικά μετατοπισμένους παλμούς λέιζερ, μπόρεσαν να θερμάνουν τοπικά το φιλμ χρυσού και στη συνέχεια να παρακολουθήσουν καθώς τα θερμά ηλεκτρόνια απομακρύνονταν από τη φωτισμένη περιοχή. Χρησιμοποιούν ένα είδος τεχνικής σούπερ-ανάλυσης για να παρακολουθήσουν τα ηλεκτρόνια να κινούνται πέρα από τα κλασικά όρια της μικροσκοπίας, με ανάλυση νανόμετρων και femtosecond. Τα αποτελέσματα, που δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Science Advances, δείχνουν ότι η διάχυση της θερμότητας σε λεπτές μεμβράνες χρυσού συμβαίνει σε δύο διακριτά βήματα.
Οι επιστήμονες οραματίστηκαν για πρώτη φορά ότι τα θερμά ηλεκτρόνια διαχέονται 100 φορές γρηγορότερα από τη συνηθισμένη θερμική διάχυση μέσα στα πρώτα picosecond μετά την πρόσκρουση του παλμού λέιζερ στο δείγμα χρυσού. Στη συνέχεια, παρατηρούν μια μετάβαση στο κλασικό καθεστώς διάχυσης όπως προβλέπεται από το νόμο του Fourier. Οι ερευνητές, σε συνεργασία με το Πανεπιστήμιο Ben-Gurion του Negev στο Ισραήλ, μπόρεσαν να εξηγήσουν τα αποτελέσματα με τη βοήθεια μιας πλήρους τρισδιάστατης προσομοίωσης της θερμο-οπτικής απόκρισης. Λόγω της ταυτόχρονης χωρικής και χρονικής ανάλυσης, αυτό το πείραμα επιτρέπει την άμεση διάκριση μεταξύ των δύο ανταγωνιστικών μηχανισμών ψύξης θερμών ηλεκτρονίων της διάχυσης και της σύζευξης ηλεκτρονίων-φωνονίων, κάτι που δεν ήταν δυνατό σε προηγούμενα πειράματα.
Αυτή η εργασία έχει επιπτώσεις τόσο στις θεμελιώδεις επιστήμες όσο και στις τεχνολογικές εφαρμογές. Αυτό το καθεστώς θερμοδυναμικής μη ισορροπίας έχει ήδη αρχίσει να πυροδοτεί νέους δρόμους στη θεωρητική περιγραφή της μεταφοράς θερμότητας σε νανοκλίμακα. Επιπλέον, αυτά τα φαινόμενα θα μπορούσαν ενδεχομένως να χρησιμοποιηθούν για τη βελτίωση της απόδοσης των ηλιακών κυψελών, όπου η φωτεινή ενέργεια πρέπει να φτάσει σε μια περιοχή εξαγωγής φορτίου πριν χαθεί. Έχει προβλεφθεί ότι με τη συλλογή της γενικά αχρησιμοποίητης επιπλέον ενέργειας αυτών των γρήγορων, θερμών ηλεκτρονίων, η απόδοση θα μπορούσε να αυξηθεί σημαντικά. Παρόμοιες εξελίξεις θα βοηθήσουν στο σχεδιασμό της επόμενης γενιάς υπερταχέων ανιχνευτών φωτός.
