Forskere beskriver hidtil ukendt mekanisme til at inducere elektronemission i højt orienteret pyrolitgrafit

Det er noget ganske almindeligt i fysik:Elektroner efterlader et bestemt materiale, flyve væk og måles derefter. Nogle materialer udsender elektroner, når de bestråles med lys. Disse elektroner kaldes fotoelektroner. I materialeforskning, såkaldte Auger-elektroner spiller også en vigtig rolle - de kan udsendes af atomer, hvis en elektron først fjernes fra en af ​​de indre elektronskaller. Men nu er det lykkedes for forskere ved TU Wien (Wien) at forklare en helt anden type elektronemission, der kan forekomme i kulstofmaterialer såsom grafit. Denne elektronemissionstype har været kendt i omkring 50 år, men dens årsag var tidligere uklar.

Mærkelige elektroner uden forklaring

"Mange forskere har allerede undret sig over dette, " siger prof. Wolfgang Werner fra Institut for Anvendt Fysik. "Der er materialer, som består af atomlag, der kun holdes sammen af ​​svage Van der Waals-kræfter, for eksempel grafit. Og det blev opdaget, at denne type grafit udsender meget specifikke elektroner, som alle har nøjagtig den samme energi, nemlig 3,7 elektronvolt."

Forskere har ikke været i stand til at finde en fysisk mekanisme til at forklare denne elektronemission. Men i det mindste gav den målte energi en indikation af, hvor man skulle lede:"Hvis disse atomare tynde lag ligger oven på hinanden, en bestemt elektrontilstand kan dannes imellem, " siger Wolfgang Werner. "Du kan forestille dig det som en elektron, der kontinuerligt reflekteres frem og tilbage mellem de to lag, indtil den på et tidspunkt trænger ind i laget og flygter til ydersiden."

Energien i disse tilstande passer faktisk godt med de observerede data - så folk antog, at der er en sammenhæng, men det alene var ingen forklaring. "Elektronerne i disse tilstande burde faktisk ikke nå detektoren, " siger Dr. Alessandra Bellissimo, en af ​​forfatterne til den aktuelle publikation. "På kvantefysikkens sprog vil man sige:Overgangssandsynligheden er bare for lav."

Overspringssnore og symmetri

For at ændre dette, elektrontilstandens indre symmetri skal brydes. "Du kan forestille dig det som at hoppe over reb, " siger Wolfgang Werner. "To børn holder et langt reb og flytter endepunkterne. Rent faktisk, begge skaber en bølge, der normalt ville forplante sig fra den ene side af rebet til den anden. Men hvis systemet er symmetrisk, og begge børn opfører sig på samme måde, så bevæger rebet sig bare op og ned. Bølge maksimum forbliver altid på samme sted. Vi ser ingen bølgebevægelser til venstre eller højre, dette kaldes en stående bølge." Men hvis symmetrien brydes pga. for eksempel, et af børnene bevæger sig baglæns, situationen er anderledes - så ændres dynamikken i rebet, og svingningens maksimale position bevæger sig.

Sådanne symmetribrud kan også forekomme i materialet. Elektroner forlader deres plads og begynder at bevæge sig, efterlader et "hul" bag sig. Sådanne elektron-hul-par forstyrrer materialets symmetri, og dermed kan elektronerne pludselig udvise egenskaberne for to forskellige tilstande samtidigt. På denne måde to fordele kan kombineres:På den ene side, der er et stort antal af sådanne elektroner, og på den anden side, deres sandsynlighed for at nå detektoren er tilstrækkelig høj. I et perfekt symmetrisk system, kun det ene eller det andet ville være muligt. Ifølge kvantemekanikken, de kan gøre begge dele på samme tid, fordi symmetrirefraktionen får de to tilstande til at "smelte sammen" (hybridisere).

"I en vis forstand, det er teamwork mellem elektronerne, der reflekteres frem og tilbage mellem to lag af materialet og de symmetri-brydende elektroner, " siger prof. Florian Libisch fra Institut for Teoretisk Fysik. "Kun når du ser på dem sammen, kan du forklare, at materialet udsender elektroner med præcis denne energi på 3,7 elektronvolt."

Kulstofmaterialer som den type grafit, der er analyseret i dette forskningsarbejde, spiller en stor rolle i dag - f.eks. 2D-materialet grafen, men også kulstof nanorør med lille diameter, som også har bemærkelsesværdige egenskaber. "Effekten bør forekomme i meget forskellige materialer - hvor end tynde lag holdes sammen af ​​svage Van der Waals-kræfter, " siger Wolfgang Werner. "I alle disse materialer, denne meget specielle type elektronemission, som vi nu kan forklare for første gang, bør spille en vigtig rolle."