Ver el movimiento de los electrones.

Un equipo del Instituto de Física Experimental y Aplicada de la Universidad de Kiel (Alemania), bajo la dirección de los profesores Michael Bauer y  Kai Rossnagel, ha logrado investigar el intercambio de energía de los electrones con su entorno en tiempo real y, por lo tanto, distinguirlos ("Ultrafast Formation of a Fermi-Dirac Distributed Electron Gas", The Journal Physical Review Letters, ). Durante la conversión de la luz en electricidad, como en las células solares, se pierde una gran parte de la energía de la luz incidente. Esto se debe al comportamiento de los electrones dentro de los materiales.

Crédito: © PRL

La luz cuando  incide en un material, estimula a los electrones energéticamente durante una fracción de segundo, antes que devuelvan la energía al medio ambiente. Debido a su duración extremadamente corta de unos pocos femtosegundos (fs=10^-15 segundos), estos procesos apenas se han explorado hasta la fecha. En su experimento irradiaron grafito con un pulso de luz intenso, ultra corto y filmaron el la interacción del impacto en el comportamiento de los electrones. Las grabaciones de las películas muestran por primera vez cómo cambia la distribución de energía en una muestra de grafito, de estructura electrónica simple, en el período ultracorto de 50 femtosegundos. Los electrones en el material se consideran un sistema gaseoso por lo cual  es posible describir las interacciones entre sí. Un análisis detallado de estas permite extraer conclusiones sobre las propiedades electrónicas del material después de la primera estimulación con luz. Una cámara especial filma cómo la energía luminosa introducida se distribuye a través del sistema de electrones. La característica especial del sistema presentado es su resolución temporal extremadamente alta de 13 femtosegundos, una de la más rápidas del mundo. En el experimento, las partículas de luz impactantes, también llamadas fotones, perturbaron el equilibrio térmico de los electrones el cual se restablece después de 50 femtosegundos. Las  imágenes de la película muestran en primer lugar como los electrones irradiados absorben la energía luminosa de los fotones en el grafito y, por lo tanto, la transformaban en energía eléctrica. Luego, la energía se distribuyó a otros electrones, antes de que pasaran a los átomos circundantes. En este último proceso, la energía eléctrica finalmente se convierte permanentemente en calor calentado el grafito.
La enfoque metodológico podría aplicarse en el futuro para investigar y optimizar movimientos ultrarrápidos de electrones agitados por la luz en materiales con prometedoras propiedades nanofotónicas.

Información complementaria:

Ultrafast Formation of a Fermi-Dirac Distributed Electron Gas.