Тайна квантовой двери: ученые объяснили, как электроны покидают твердые тела

Ученые сумели разгадать давнюю загадку физики твердого тела: почему электроны с достаточной энергией не всегда могут покинуть материал. Оказалось, что им нужно не только набрать нужную энергию, но и найти правильный «выход».

Под таким выходом международная группа ученых из Венского технического университета подразумевает особое квантовое состояние, получившее название «состояние-дверь» Чтобы понять, что это такое, стоит воспользоваться наглядной аналогией с лягушкой в коробке. Представьте, что лягушка сидит в коробке с отверстием на определенной высоте. Чтобы выбраться, ей нужно не только подпрыгнуть достаточно высоко, но и попасть в отверстие. Если лягушка промахнется, она лишь ударится об стенку и отскочит, но не сможет выпрыгнуть. Похожая ситуация происходит с электронами в твердых материалах.

«Твердые тела, из которых вылетают относительно медленные электроны, играют ключевую роль в физике. Оценивая энергию этих электронов, мы можем узнавать ценную информацию о материале», — объясняет соавтор исследования Анна Ниггас из Института прикладной физики.

Долгое время ученые не могли понять причину несоответствия между теоретическими расчетами и экспериментами. Согласно простой логике, все электроны с энергией выше определенного порога должны покидать материал. «Если бы это было так, все было бы просто: мы бы смотрели на энергии электронов внутри материала и сразу определяли, какие электроны появятся снаружи. Но, как выяснилось, этого не происходит», — говорит профессор Ричард Вильгельм, руководитель группы атомной и плазменной физики.

Особенно озадачивало ученых то, что разные материалы, например, графеновые структуры с различным количеством слоев, могут иметь очень похожие энергетические уровни электронов, но при этом испускаемые электроны демонстрируют совершенно разное поведение.

В некоторых материалах состояния-двери появляются только когда материал состоит из нескольких слоевИсточник: https://phys.org

Ключевое открытие заключается в том, что существуют квантовые состояния, которые находятся выше необходимого энергетического порога, но все равно 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 там, где находится твердое тело», — поясняет Вильгельм.

«Электроны должны занимать очень специфические состояния — так называемые состояния-двери. Такое состояние действительно позволяет электрону выйти наружу из твердого тела», — объясняет профессор Флориан Либиш из Института теоретической физики.

Интересно, что некоторые из таких состояний-дверей появляются только когда материал состоит из пяти или более слоев. Это открытие открывает совершенно новые перспективы для целенаправленного проектирования и использования слоистых материалов в технологиях и исследованиях.