Электроны внутри твердотельных материалов, как выяснилось, ведут себя удивительно схожим образом с известной аналогией. Представьте лягушку, запертую в коробке с отверстием сбоку. Чтобы выбраться, лягушке нужна энергия для прыжка, но этого недостаточно – ей также необходимо найти и пройти через это отверстие. Когда электроны получают дополнительную энергию, например, при бомбардировке вещества другими электронами, они могут освободиться от материала. Этот процесс, известный десятилетиями, лежит в основе множества современных технологий. Однако до недавнего времени ученые не могли точно его рассчитать.
Исследователи из нескольких групп Венского технического университета (TU Wien) нашли решение этой проблемы. Подобно тому, как лягушка должна найти подходящее отверстие, электрон тоже нуждается в особом «выходном пути», который получил название «дверное состояние» (doorway state).
Анна Ниггас из Института прикладной физики TU Wien, первый автор исследования, поясняет: «Твердые тела, из которых выходят относительно медленные электроны, играют ключевую роль в физике. По энергиям этих электронов мы можем получить ценную информацию о материале». Внутри любого материала электроны могут существовать с различными уровнями энергии. Пока их энергия остается ниже определенного предела, они остаются в ловушке. Когда в материал поступает дополнительная энергия, некоторые электроны могут преодолеть этот барьер.
Ранее предполагалось, что все электроны, набравшие достаточную энергию, просто покидают материал. Профессор Рихард Вильгельм, глава группы атомной и плазменной физики в TU Wien, отмечает: «Если бы это было так, все было бы просто: мы бы просто смотрели на энергии электронов внутри материала и напрямую делали выводы о том, какие электроны должны появляться снаружи. Но, как оказалось, это не соответствует действительности». Теоретические модели и экспериментальные данные часто расходились. Это несоответствие было особенно загадочным, поскольку «различные материалы – например, структуры графена с разным количеством слоев – могут иметь очень схожие уровни энергии электронов, но при этом демонстрировать совершенно разное поведение испускаемых электронов», – уточняет Анна Ниггас.
Ключевое открытие состоит в том, что одной лишь энергии недостаточно для определения того, покинет ли электрон материал. Существуют квантовые состояния выше энергетического порога, которые все равно не ведут за пределы материала – факт, который отсутствовал в более ранних моделях. «С энергетической точки зрения электрон больше не связан с твердым телом. У него есть энергия свободного электрона, но он все еще остается пространственно расположенным там, где находится твердое тело», – говорит Рихард Вильгельм. Электрон ведет себя как та лягушка, которая прыгает достаточно высоко, но не может найти выход.
Профессор Флориан Либиш из Института теоретической физики объясняет: «Электроны должны занимать очень специфические состояния – так называемые «дверные состояния». Эти состояния сильно взаимодействуют с теми, которые действительно ведут из твердого тела. Не каждое состояние с достаточной энергией является таким «дверным состоянием» – только те, которые представляют собой «открытую дверь» наружу». Анна Ниггас добавляет: «Впервые мы показали, что форма электронного спектра зависит не только от самого материала, но и, что крайне важно, от того, существуют ли и где именно такие резонансные «дверные состояния»». Примечательно, что некоторые из этих состояний появляются только тогда, когда сложено более пяти слоев материала. Это понимание открывает новые возможности для точного проектирования и применения слоистых материалов как в исследованиях, так и в передовых технологиях.
