우연히 뜨거운 오븐 랙을 만지면 금속이 열을 수행하는 데 매우 능숙하다는 것을 고통스럽게 알 수 있습니다. 원자 수준으로 확대 할 수 있다면 작은 전자가 비난해야한다는 것을 알 수 있습니다. 전기가 구리 와이어 아래로 자유롭게 흐를 수있는 것과 같은 이유는 전자가 왜 손가락의 신경 끝으로 똑바로 수백 도의 오븐 열을 전자에 적합한지를 설명합니다. 열전 전도성이 열등한 얇은 실리콘 오븐 미트 가이 생각을 불러 일으키는 통증으로부터 쉽게 구할 수 있다고 생각합니다.
금속에서 열을 운반하기위한 전도 전자의 중요한 역할에 대한 이러한 현미경 관점은 되돌아갑니다. 실제로, 고형물에서의 열 수송은 물리학에서 가장 오래된 문제 중 하나이며, 최초의 열역학 제형으로 거슬러 올라갑니다. 1822 년, 조셉 푸리에는 먼저 열 전도의 고전 법칙을 공식화하여 재료의 뜨거운 끝에서 차가운 것까지 열이 어떻게 흐르는 지 설명했습니다. 거의 10 년 후, 1905 년에 Albert Einstein은 이러한 유형의 거시적 수송이 현미경 입자의 무작위 운동에서 파생 될 수 있음을 유명하게 증명했습니다.
그 이후 수십 년간의 연구는 열에 대한 미세한 설명에 기여하여 열 담체의 (양자) 특성에 대한 이해를 크게 발전시켰다. 우리는 이제 고체의 열이 포논으로 알려진 원자 격자의 흥분과 자유 전도 전자에 의해 운반된다는 것을 알고 있습니다. 열 전도의 고전 법칙은 오늘날에도 가장 극단적 인 경우 열 수송을 설명하는 데 여전히 사용됩니다.
보다 최근에는 과학자들이 난방이 엄청나게 빠른 시간 규모로 발생할 때이 고전 법칙이 무너진다는 것을 알게되었습니다. 금속에 1 조 1 조 (<1 피코 초) 미만의 지속 시간을 갖는 광 펄스가 금속에 빛을 발할 때 흡수 된 에너지는 전자로 전달되어 푸리에의 법칙을 개정 해야하는 국소 비평 형의 상황으로 이어집니다. 원자 격자가 비교적 시원하게 유지되는 동안 전자는 수천도까지 가열됩니다. 그러나이 매우 뜨거운 전자는 금속이 녹지 않습니다. 이 고온은 매우 짧은 시간 동안 만 지속되기 때문입니다. 피코 초 더 많은 후, 금속의 온도는 실온보다 수십 정도 만 끝납니다. 그래서이 모든 열은 어디로 갔습니까?
이 질문에 답하기 위해 스페인의 Photonic Sciences 연구소 (ICFO)의 과학자들은 전례없는 동시 공간 및 시간적 해결책으로 비디오를 캡처하여 뜨거운 전자를 추적 할 수있는 현미경을 개발했습니다. 두 개의 공간적으로 그리고 시간적으로 오프셋 레이저 펄스로 얇은 금 필름을 비추면 금 필름을 국소 적으로 가열 한 다음 뜨거운 전자가 조명 된 영역에서 벗어나는 것을 볼 수있었습니다. 그들은 일종의 초 고해상도 기술을 사용하여 전자가 나노 미터 및 펨토초 해상도로 현미경의 고전적인 한계를 넘어서는 것을 지켜 봅니다. Science Advances 저널에 발표 된 결과는 얇은 금 필름에서 열이 확산되는 것이 두 가지 다른 단계에서 발생한다는 것을 보여줍니다.
과학자들은 레이저 펄스가 금 샘플에 부딪친 후 처음 몇 피코 초 내에서 일반적인 열 확산보다 뜨거운 전자가 100 배 빠르게 확산된다고 처음으로 시각화했습니다. 그런 다음 그들은 푸리에의 법에 의해 예측 된대로 고전적인 확산 체제로의 전환을 관찰합니다. 연구원들은 이스라엘의 벤 구리온 대학교와 협력하여 열 광학 반응의 전체 3 차원 시뮬레이션의 도움으로 결과를 설명 할 수있었습니다. 동시 공간적 및 시간적 분해능으로 인해이 실험은 확산의 두 가지 경쟁 핫 전자 냉각 메커니즘과 전자-포논 커플 링 사이의 직접적인 차이를 허용하며, 이전 실험에서는 불가능했습니다.
.이 작업은 기본 과학뿐만 아니라 기술 응용에도 영향을 미칩니다. 비평 형 열역학 의이 정권은 이미 나노 스케일에서 열 수송에 대한 이론적 설명에서 새로운 길을 촉발하기 시작했다. 또한, 이러한 효과는 잠재적으로 태양 전지의 효율을 향상시키는 데 사용될 수 있으며, 여기서 광 에너지는 손실되기 전에 전하 추출 영역에 도착해야합니다. 이러한 빠르고 뜨거운 전자의 일반적으로 사용되지 않는 추가 에너지를 수확함으로써 효율이 크게 향상 될 수 있다고 예측되었다. 비슷한 발전은 차세대 초고파 조명 탐지기를 설계하는 데 도움이 될 것입니다.
