熱いオーブン ラックに誤って触れてしまうと、金属が熱を伝導するのが非常に得意であることを痛感させられます。原子レベルにズームインできれば、小さな電子が原因であることがわかります。電気が銅線を自由に流れるのと同じ理由で、電子が数百度のオーブンの熱を指の神経終末に直接伝導するのに同様に適している理由も説明できます.そして、熱伝導率が劣る薄いシリコンのオーブンミットがあれば、この考えさせられる痛みから簡単に救われると考えれば.
金属内の熱の輸送における伝導電子の重要な役割のこの微視的見解は、はるか昔にさかのぼります。実際、固体における熱の輸送は、物理学における最も古い問題の 1 つであり、熱力学の最も初期の定式化にまでさかのぼります。 1822 年、ジョセフ フーリエは熱伝導の古典的な法則を最初に定式化し、熱が材料の高温端から低温端にどのように流れるかを説明しました。ほぼ 10 年後の 1905 年、アルバート アインシュタインは、このタイプの巨視的な輸送が微視的な粒子のランダムな運動から導き出せることを証明したことで有名です。
それ以来、何十年にもわたる研究が熱の微視的記述に貢献し、熱媒体の (量子) 性質の理解を大きく前進させてきました。固体内の熱は、自由伝導電子だけでなく、フォノンとして知られる原子格子の励起によっても運ばれることがわかっています。熱伝導の古典的な法則は、最も極端な場合を除いて、今日でも熱輸送を説明するために使用されています。
最近、科学者たちは、加熱が信じられないほど速い時間スケールで起こると、この古典的な法則が崩れることを発見しました. 1 兆分の 1 秒未満 (1 ピコ秒未満) の持続時間の光パルスが金属に照射されると、吸収されたエネルギーが電子に伝達され、局所的な非平衡状態が発生し、フーリエの法則を修正する必要があります。 .原子格子は比較的低温のままですが、電子は数千度まで加熱されます。ただし、これらの非常に熱い電子は、金属を溶かすことはありません。これは、この高温が非常に短い時間しか続かないためです。さらに数ピコ秒後、金属の温度は室温よりわずか数十度高くなります。では、この熱はどこへ行ったのでしょうか?
この質問に答えるために、スペインのフォトニック科学研究所 (ICFO) の科学者は、前例のない同時の空間的および時間的解像度でビデオをキャプチャすることにより、ホット エレクトロンを追跡できる顕微鏡を開発しました。空間的および時間的にオフセットされた2つのレーザーパルスで金薄膜を照射することにより、金膜を局所的に加熱し、照射された領域からホットエレクトロンが移動するのを観察することができました。彼らは一種の超解像技術を使用して、ナノメートルおよびフェムト秒の解像度で電子が顕微鏡の古典的な限界を超えて移動するのを観察します。ジャーナル Science Advances に掲載された結果は、薄い金膜の熱の拡散が 2 つの異なるステップで発生することを示しています。
科学者たちは、レーザーパルスが金サンプルに当たった後の最初の数ピコ秒以内に、ホットエレクトロンが通常の熱拡散よりも100倍速く拡散することを初めて視覚化しました。次に、フーリエの法則によって予測されるように、古典的な拡散レジームへの移行が観察されます。研究者は、イスラエルのネゲブのベングリオン大学と協力して、熱光学応答の完全な 3 次元シミュレーションの助けを借りて結果を説明することができました。同時の空間的および時間的分解能により、この実験では、以前の実験では不可能だった、拡散と電子-フォノン結合の 2 つの競合するホットエレクトロン冷却メカニズムを直接区別することができます。
この作業は、基礎科学と技術的応用の両方に影響を与えます。この非平衡熱力学のレジームは、ナノスケールでの熱輸送の理論的記述に新たな道を開き始めています。さらに、これらの効果は、光エネルギーが失われる前に電荷抽出領域に到達する必要がある太陽電池の効率を改善するために使用できる可能性があります。これらの高速でホットエレクトロンの一般的に未使用の余分なエネルギーを収穫することにより、効率が大幅に向上する可能性があると予測されています。同様の進歩は、次世代の超高速光検出器の設計に役立ちます。
