Это довольно распространенное явление в физике: электроны покидают определенный материал, улетают и затем измеряются. Некоторые материалы излучают электроны, когда их облучают светом. Эти электроны называются фотоэлектронами. В исследованиях материалов важную роль играют также так называемые Оже-электроны—они могут испускаться атомами, если электрон сначала удаляется из одной из внутренних электронных оболочек. Но теперь ученые из TU Wien (Вена) преуспели в объяснении совершенно другого типа электронной эмиссии, которая может происходить в углеродных материалах, таких как графит. Этот тип электронной эмиссии известен уже около 50 лет, но его причина ранее была неясна.

Странные электроны без объяснения причин

"Многие исследователи уже задавались этим вопросом", - говорит проф. Вольфганг Вернер из Института прикладной физики. "Существуют материалы, состоящие из атомных слоев, которые удерживаются вместе только слабыми Ван-дер-ваальсовыми силами, например графит. И было обнаружено, что этот тип графита испускает очень специфические электроны, которые все имеют точно такую же энергию, а именно 3,7 электрон-вольта."

Исследователи так и не смогли найти физический механизм, объясняющий эту электронную эмиссию. Но, по крайней мере, измеренная энергия дала указание, где искать: "если эти атомарно тонкие слои лежат друг на друге, между ними может образоваться определенное электронное состояние", - говорит Вольфганг Вернер. - Вы можете представить себе это как электрон, который непрерывно отражается назад и вперед между двумя слоями, пока в какой-то момент он не проникает в слой и не выходит наружу."

Энергия этих состояний на самом деле хорошо согласуется с наблюдаемыми данными—поэтому люди предполагали, что существует какая-то связь, но это само по себе не было объяснением. "Электроны в этих состояниях на самом деле не должны достигать детектора", - говорит доктор Алессандра Беллиссимо, один из авторов нынешней публикации. - На языке квантовой физики можно было бы сказать: вероятность перехода слишком мала."

Пропуск Шнуров и симметрия

Чтобы изменить это, необходимо нарушить внутреннюю симметрию электронных состояний. "Вы можете представить себе это как прыжки через веревку", - говорит Вольфганг Вернер. - Двое детей держат длинную веревку и передвигают ее концы. На самом деле, оба создают волну, которая обычно распространяется от одной стороны веревки к другой. Но если система симметрична и оба ребенка ведут себя одинаково, то веревка просто движется вверх и вниз. Максимум волны всегда остается на одном и том же месте. Мы не видим никакого движения волны влево или вправо, это называется стоячей волной." Но если симметрия нарушается из—за того, что, например, один из детей движется назад, то ситуация иная-тогда меняется динамика веревки и смещается максимальное положение колебания.

Такие нарушения симметрии могут также иметь место в материале. Электроны покидают свое место и начинают двигаться, оставляя за собой "дырку". Такие электронно-дырочные пары нарушают симметрию материала, и таким образом электроны могут внезапно проявлять свойства двух различных состояний одновременно. Таким образом, можно объединить два преимущества: с одной стороны, существует большое количество таких электронов, а с другой стороны, вероятность их попадания в детектор достаточно высока. В идеально симметричной системе было бы возможно только одно или другое. Согласно квантовой механике, они могут делать и то и другое одновременно, потому что преломление симметрии заставляет два состояния "сливаться" (гибридизоваться).

"В некотором смысле это совместная работа между электронами, отраженными назад и вперед между двумя слоями материала, и электронами, нарушающими симметрию", - говорит проф. Флориан Либиш из Института теоретической физики. "Только когда вы посмотрите на них вместе, вы сможете объяснить, что материал испускает электроны именно этой энергии 3,7 электрон-вольта."

Углеродные материалы, такие как графит, анализируемые в данной работе, играют сегодня важную роль—например, двумерный материал графен, но также и углеродные нанотрубки крошечного диаметра, которые также обладают замечательными свойствами. "Эффект должен происходить в очень разных материалах—везде, где тонкие слои удерживаются вместе слабыми Ван-дер-ваальсовыми силами", - говорит Вольфганг Вернер. "Во всех этих материалах этот совершенно особый тип электронной эмиссии, который мы теперь можем объяснить впервые, должен играть важную роль."

ИСТОЧНИК