Ученые из Королевского колледжа в Лондоне разработали наноустройство, использующее квантовые эффекты для преобразования электрического тока в направленный поток “горячих” электронов и света. Термин “горячие” электроны относится к электронам с высокой кинетической энергией, что позволяет им инициировать редкие и нетипичные химические реакции. По словам доктора Пэн Вон, воздействие таких электронов может вызвать реакцию у молекул, которые в нормальных условиях не вступают в реакцию друг с другом. Устройство состоит из двух компонентов: верхнего электрода из сплава индия-галлия и основания, на котором расположены золотые наностолбики строго определенной высоты. При этом электрод и вершины наностолбиков разделены воздушным промежутком, шириной менее 1 нанометра.
Когда на это устройство подается электрический потенциал, то через него начинает течь электрический ток, направленный от верхнего электрода к золотым наностолбикам.
В обычных условиях наличие воздушного промежутка служило бы препятствием движению электронов, однако крайне малая ширина этого промежутка обуславливает то, что в дело вступают законы квантовой механики и электроны перескакивают с одного электрода на другой за счет эффекта квантового туннелирования. Такое движение означает, что туннелирующиеся электроны достигают золотого электрода в виде “горячих” высокоэнергетических электронов.
Помимо этого, некоторое количество горячих электронов возбуждает на поверхности золота квазичастицы, известные под названием плазмонов, которые излучают фотоны света.
В обычных условиях такой метод получения света весьма неэффективен, но в данном случае за счет наличия золотых наностолбиков обеспечиваются миллиарды одновременных туннельных переходов, что существенно повышает эффективность преобразования энергии электронов в энергию плазмонов. И в результате свет, излучаемый крошечным устройством, становится видимым даже невооруженным глазом.
Данное устройство позволяет модулировать поток вырабатываемого им света с огромной скоростью, превосходящей даже быстродействие полупроводниковых лазеров, используемых в современной фотонике. Помимо этого, размеры нового источника света гораздо меньше размеров лазера, что имеет огромное значение с учетом тенденции уменьшения размеров кристаллов полупроводниковых чипов.
Но не только электроника может стать единственной областью применения нового устройства. Произведенный устройством поток “горячих” электронов может быть использован как высокочувствительный датчик химического анализатора. Молекулы любого химического вещества, попавшие или образовавшиеся в пространстве воздушного промежутка, окажут влияние на работу туннельного перехода. В результате этого ток, протекающий через устройство, изменится, и по характеру этих изменений можно будет даже узнать вид молекул, попавших в рабочую зону такого химического датчика.
