Aby wyobrazić sobie to zjawisko, badacze z TU Wien posłużyli się prostą metaforą. Jeśli żaba siedzi w pudełku z otworem wysoko w ścianie, samo to, że potrafi skakać, nie wystarczy, by się wydostała. Musi jeszcze trafić dokładnie w otwór. Tak samo jest z elektronami: nawet jeśli mają wystarczającą energię, by opuścić materiał, nie zawsze znajdują właściwe “drzwi wyjściowe”.
Czytaj też: Elektrony przekroczyły barierę dźwięku w grafenie. Elektronika już nigdy nie będzie taka sama
Od lat wiadomo, że bombardowanie materiału elektronami może spowodować emisję wtórnych elektronów, wykorzystywaną w mikroskopii czy spektroskopii. Jednak dokładne opisanie tego procesu teoretycznie było zaskakująco trudne. Modele przewidywały jedno, eksperymenty pokazywały coś zupełnie innego. Zespół badaczy z Instytutu Fizyki Stosowanej i Instytutu Fizyki Teoretycznej TU Wien postanowił rozwiązać tę zagadkę.
Dlaczego elektron nie wychodzi, mimo że może
W teorii wszystko powinno być proste: elektrony w materiale mają różne energie, a gdy przekroczą pewien próg, powinny z niego uciec.
Czytaj też: Ekrany przyszłości. Naukowcy drukują w pełni recyklingowalną elektronikę
Prof. Richard Wilhelm, kierujący grupą fizyki atomowej i plazmowej, mówi:
Gdyby to była cała prawda, wystarczyłoby zmierzyć energię elektronów wewnątrz materiału, by przewidzieć, które z nich pojawią się na zewnątrz. Ale tak się nie dzieje.
Eksperymenty pokazały, że nawet materiały o bardzo podobnych poziomach energetycznych – jak różne formy grafenu – mogą zachowywać się diametralnie inaczej pod względem emisji elektronów. Czasem elektron “skacze” wystarczająco wysoko, by wydostać się z sieci krystalicznej, a mimo to pozostaje uwięziony w obrębie materiału.
Przełom nastąpił, gdy fizycy z TU Wien zrozumieli, że energia to tylko część układanki. Istnieją bowiem specyficzne kwantowe konfiguracje, które decydują o tym, czy elektron może rzeczywiście opuścić materiał. Te konfiguracje nazwano doorway states, czyli “stanami drzwiowymi”.
Prof. Florian Libisch z Instytutu Fizyki Teoretycznej dodaje:
Tylko niektóre stany z odpowiednią energią są prawdziwymi doorway states. To one stanowią otwarte drzwi prowadzące na zewnątrz. Inne – choć energetycznie wystarczające – są jak ślepe zaułki.
Nowe obliczenia pokazały, że kształt widma elektronów zależy nie tylko od samego materiału, lecz także od tego, czy i gdzie w jego strukturze istnieją takie rezonansowe stany drzwiowe. Odkryto również, że pojawiają się one dopiero wtedy, gdy materiał ma odpowiednią grubość. W ultracienkich warstwach, takich jak pojedynczy grafen, elektrony nie znajdują drzwi wyjściowych. Ale gdy materiał składa się z co najmniej pięciu warstw, pojawia się możliwość sprzężenia z próżnią – czyli elektron “widzi” drogę ucieczki.
Choć odkrycie dotyczy fundamentalnych właściwości materii, jego konsekwencje są dalekosiężne. Lepsze zrozumienie tego, jak elektrony opuszczają materiały, może ulepszyć techniki analityczne w fizyce powierzchni, mikroskopii elektronowej czy inżynierii nanomateriałów. W przyszłości możliwe stanie się nawet projektowanie materiałów o “programowalnych” właściwościach emisji elektronów – poprzez manipulację strukturą warstw i tworzenie kontrolowanych doorway states.
Jak podsumowuje prof. Wilhelm:
To, co wydawało się prostym problemem fizycznym, okazało się ukrytą łamigłówką kwantową. A rozwiązanie tkwiło nie w energii, lecz w drzwiach, których wcześniej nie widzieliśmy.
Badanie opublikowane w Physical Review Letters to nie tylko rozwiązanie konkretnego problemu teoretycznego, ale też przypomnienie, jak bardzo kwantowy świat wymyka się intuicji. Elektron z pozoru “wolny” może pozostać więźniem materii, dopóki nie trafi na właściwy stan – niczym żaba, która potrafi skakać, ale nie dostrzega otworu w ścianie.