Ученые смогли разгадать старую загадку физики твердого тела: почему электроны с достаточной энергией не всегда способны покинуть материал. Выяснилось, что им необходимо не только накопить нужную энергию, но и найти правильный «выход».
Под понятием «выход» международная команда исследователей из Венского технического университета подразумевает особое квантовое состояние, названное «состояние-дверь». Чтобы понять, что это такое, можно воспользоваться наглядной аналогией с лягушкой в коробке. Представьте себе, что лягушка находится в коробке с отверстием на определенной высоте. Чтобы выбраться, ей необходимо не только подпрыгнуть достаточно высоко, но и попасть в отверстие. Если лягушка промахнется, она просто ударится об стенку и отскочит, не сумев выпрыгнуть. Похожая ситуация наблюдается с электронами в твердых материалах.
«Твердые тела, из которых вылетают относительно медленные электроны, играют важную роль в физике. Оценивая энергию этих электронов, мы можем получить ценную информацию о материале», — объясняет один из авторов исследования Анна Ниггас из Института прикладной физики.
Долгое время ученые не могли разобраться в причине несоответствия между теоретическими расчетами и экспериментальными данными. Согласно простой логике, все электроны с энергией выше определенного порога должны покидать материал. «Если бы это было так, все было бы просто: мы смотрели бы на энергии электронов внутри материала и сразу определяли, какие электроны появятся снаружи. Но, как оказалось, этого не происходит», — говорит профессор Ричард Вильгельм, руководитель группы атомной и плазменной физики.
Ученых особенно озадачивало то, что разные материалы, например, графеновые структуры с различным количеством слоев, могут иметь очень схожие энергетические уровни электронов, но при этом испускаемые электроны демонстрируют совершенно различное поведение.
Главное открытие заключается в том, что существуют квантовые состояния, которые находятся выше необходимого энергетического порога, но при этом не позволяют электрону покинуть материал. «С энергетической точки зрения электрон больше не связан с твердым телом. У него энергия свободного электрона, но он все еще остается пространственно локализованным в том месте, где находится твердое тело», — поясняет Вильгельм.
«Электроны должны занимать очень специфические состояния — так называемые состояния-двери. Это состояние действительно позволяет электрону выйти наружу из твердого тела», — объясняет профессор Флориан Либиш из Института теоретической физики.
Интересно, что некоторые из таких состояний-дверей возникают только тогда, когда материал состоит из пяти или более слоев. Это открытие открывает совершенно новые возможности для целенаправленного проектирования и использования слоистых материалов в технологиях и исследованиях.
Фото: hi-tech.mail.ru