Что происходит, когда электроны покидают твёрдый материал? До сих пор это, казалось бы простое явление, не имело точного теоретического описания. В новом исследовании учёные нашли недостающий элемент головоломки.
Представьте лягушку, сидящую в коробке. У коробки есть большое отверстие на определённой высоте. Сможет ли лягушка выбраться?
Это зависит от того, сколько у неё энергии: если она может прыгнуть достаточно высоко, то в принципе может выбраться. Но удастся ли ей это на самом деле — другой вопрос. Высоты прыжка недостаточно — лягушке также нужно прыгнуть через отверстие.
Аналогичная ситуация возникает с электронами внутри твёрдого тела.
Когда им дают немного дополнительной энергии — например, бомбардируя материал дополнительными электронами — они могут вырваться из материала. Этот эффект известен уже много лет и широко используется в технике. Но, как ни удивительно, рассчитать этот процесс точно никогда не удавалось.
Сотрудничество между несколькими исследовательскими группами в Венском техническом университете (TU Wien) разгадало эту загадку: как и лягушке, электрону недостаточно только энергии — он также должен найти правильный «выход», так называемое «дверное состояние».
«Твёрдые тела, из которых выходят относительно медленные электроны, играют ключевую роль в физике. Из энергий этих электронов мы можем извлечь ценную информацию о материале», — говорит Анна Ниггаз из Института прикладной физики в TU Wien, первый автор нового исследования, опубликованного в журнале Physical Review Letters.
Электроны внутри материала могут иметь разную энергию. Пока они остаются ниже определённого энергетического порога, они неизбежно остаются в материале. Когда материалу сообщается дополнительная энергия, некоторые электроны превышают этот порог.
«Можно предположить, что все эти электроны, получив достаточно энергии, просто покидают материал», — говорит профессор Ричард Вильгельм, руководитель группы атомной и плазменной физики в TU Wien. «Если бы это было так, всё было бы просто: мы бы просто посмотрели на энергии электронов внутри материала и напрямую определили, какие электроны должны появиться снаружи. Но, как оказалось, это не так».
Теоретические предсказания и экспериментальные результаты, казалось, не совпадали. Особенно озадачивало то, что «разные материалы, такие как графеновые структуры с разным количеством слоёв, могут иметь очень похожие уровни энергии электронов, но при этом демонстрировать совершенно разное поведение в отношении испускаемых электронов», — говорит Ниггаз.
Ключевой вывод: одной энергии недостаточно. Существуют квантовые состояния, которые лежат выше необходимого энергетического порога, но всё равно не выводят электрон из материала — и эти состояния не учитывались в предыдущих моделях.
«С энергетической точки зрения электрон больше не связан с твёрдым телом. У него энергия свободного электрона, но он всё ещё остаётся пространственно расположенным там, где находится твёрдое тело», — говорит Ричард Вильгельм. Электрон ведёт себя как лягушка, которая прыгает достаточно высоко, но не может найти выход.
«Электроны должны занимать очень специфические состояния — так называемые дверные состояния», — объясняет профессор Флориан Либиш из Института теоретической физики. «Эти состояния сильно связаны с теми, которые на самом деле выводят из твёрдого тела. Не каждое состояние с достаточной энергией является таким дверным состоянием — только те, которые представляют собой «открытую дверь» наружу».
«Впервые мы показали, что форма спектра электронов зависит не только от самого материала, но и от того, существуют ли такие резонансные дверные состояния и где они находятся», — говорит Ниггаз.
Некоторые из этих состояний возникают только тогда, когда материал состоит более чем из пяти слоёв. Это открытие открывает совершенно новые перспективы для целенаправленного проектирования и использования слоистых материалов в технике и исследованиях.
Предоставлено Венским университетом технологий.