Elektron karusellen:Forskere finder ny mekanisme for klassisk adfærd af mange-partikel kvantesystemer

Fotoemission er en egenskab ved metaller og andre materialer, der udsender elektroner, når de rammes af lys. Elektronemission efter lysabsorption blev allerede forklaret af Albert Einstein. Men da denne effekt er en meget kompleks proces, videnskabsmænd har stadig ikke været i stand til fuldt ud at belyse dens detaljer. Prof. Dr. Bernd von Issendorff og hans team ved University of Freiburgs Institut for Fysik er nu lykkedes med at detektere en hidtil ukendt kvanteeffekt i vinkelfordelingen af ​​fotoelektroner fra kryogene masseudvalgte metalklynger. Vinkelfordelingerne ligner de for klassiske partikler, en adfærd, der overraskende kan forklares med den stærke elektron-elektron-interaktion i disse mange-elektron-systemer. Forskerne offentliggjorde denne konklusion i det aktuelle nummer af Fysisk gennemgangsbreve .

Elektroner med veldefineret vinkelmoment

Metalklynger kan ses som kvantesystemer, der består af en tællig mængde kvantepartikler - i dette tilfælde elektroner - i et simpelt sfærisk kassepotentiale. Elektroner i simple metalklynger har relativt veldefinerede vinkelmomenter, selvom en klynge aldrig er perfekt rund. Dette skyldes den praktisk talt optimale afskærmning af atomkernerne af elektronsystemet. Derfor, en enkelt elektron oplever kun en gennemsnitlig interaktion, der er bemærkelsesværdig tæt på interaktionen med et sfærisk bokspotentiale. Som en konsekvens, elektronerne antager praktisk talt vinkelmoment egentilstande, dvs. rotere med et veldefineret vinkelmomentum. I øvrigt, fotoemissionen af ​​elektronen sker kun ved klyngens overflade, fordi kun dér kan det nødvendige radiale momentum overføres til elektronen.

Elektronemission forekommer kun ved overfladen

Forskere forventede, at elektronens momentum ville blive bevaret parallelt med overfladen under fotoemission, da der ikke er nogen kræfter, der virker i denne retning. "Da en elektron med et defineret vinkelmomentum ved overfladen har et defineret momentum parallelt med det, det kunne antages, " forklarer von Issendorff, "at vinkelfordelingen af ​​elektronerne svarer til den for kugler, der blot frigives af børn fra en roterende karusell. De flyver ikke radialt udad, men tangentielt til den cirkulære bane." Freiburg-forskerne observerede netop denne effekt på metalklynger, dermed verificere, at elektronerne faktisk kan ses som partikler, der roterer i et kassepotentiale, og at elektronemissionen faktisk kun sker ved overfladen. Overraskelsen, imidlertid, siger von Issendorff, er, at denne observation er fuldstændig i modstrid med kvantemekaniske simuleringer, som altid forudsiger en meget mere kompleks adfærd domineret af slutninger og resonanser i ioniseringsprocessen.

Matematisk beskrivelse af vinkelfunktionerne

Imidlertid, Freiburg-forskerne var i stand til at løse denne modsigelse:På grundlag af deres tidligere arbejde og i diskussioner med forskere ved Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems i Dresden, de udledte en fuldstændig matematisk beskrivelse af vinkelfunktionerne, der svarer meget godt til eksperimentet. Kerneantagelsen i denne nye beskrivelse er, at klyngen er fuldstændig ugennemsigtig for elektroner:Elektroner er stærkt decelererede inde i klyngen. Dette fører til en undertrykkelse af interferens- og resonanseffekterne og dermed til en næsten klassisk adfærd. Det var allerede kendt, at dekohærens undertrykker interferenser. Hvad er nyt, imidlertid, er, at den stærke dissipation ikke fører til en fuldstændig udvaskning af elektronernes vinkelfordelinger, men tværtimod, producerer meget strukturerede og næsten klassiske distributioner.

Opfører sig som en klassisk partikel

"Vi er vant til, at kvanteeffekter dominerer i små skalaer, hvorimod en klassisk beskrivelse ofte er en god tilnærmelse til effekter i større skalaer, " forklarer von Issendorff. "Her, klassisk adfærd opstår selv i lille skala gennem dissipation. Det komplicerede samspil mellem et væld af elektroner resulterer i, at en af ​​disse elektroner opfører sig som en klassisk partikel."