Det är något ganska vanligt inom fysiken:Elektroner lämnar ett visst material, flyger iväg och mäts sedan. Vissa material avger elektroner när de bestrålas med ljus. Dessa elektroner kallas fotoelektroner. I materialforskning, så kallade Auger-elektroner spelar också en viktig roll – de kan sändas ut av atomer om en elektron först tas bort från ett av de inre elektronskalen. Men nu har forskare vid TU Wien (Wien) lyckats förklara en helt annan typ av elektronemission som kan förekomma i kolmaterial som grafit. Denna typ av elektronemission har varit känd i cirka 50 år, men dess orsak var tidigare oklar.

Konstiga elektroner utan förklaring

"Många forskare har redan undrat över detta, " säger prof. Wolfgang Werner från Institutet för tillämpad fysik. "Det finns material, som består av atomlager som hålls samman endast av svaga Van der Waals-krafter, till exempel grafit. Och det upptäcktes att den här typen av grafit avger mycket specifika elektroner som alla har exakt samma energi, nämligen 3,7 elektronvolt."

Forskare har inte lyckats hitta en fysisk mekanism för att förklara denna elektronemission. Men åtminstone den uppmätta energin gav en indikation på var man skulle leta:"Om dessa atomärt tunna lager ligger ovanpå varandra, ett visst elektrontillstånd kan bildas däremellan, " säger Wolfgang Werner. "Du kan föreställa dig det som en elektron som kontinuerligt reflekteras fram och tillbaka mellan de två lagren tills den någon gång penetrerar lagret och flyr utåt."

Energin i dessa tillstånd stämmer faktiskt väl överens med de observerade data - så folk antog att det finns ett samband, men bara det var ingen förklaring. "Elektronerna i dessa tillstånd borde faktiskt inte nå detektorn, " säger Dr Alessandra Bellissimo, en av författarna till den aktuella publikationen. "På kvantfysikens språk skulle man säga:övergångssannolikheten är alldeles för låg."

Överhoppningssnören och symmetri

För att ändra detta, elektrontillståndens inre symmetri måste brytas. "Du kan föreställa dig det här som att hoppa över rep, " säger Wolfgang Werner. "Två barn håller ett långt rep och flyttar ändpunkterna. Faktiskt, båda skapar en våg som normalt skulle fortplanta sig från ena sidan av repet till den andra. Men om systemet är symmetriskt och båda barnen beter sig på samma sätt, då rör sig repet bara upp och ner. Vågmaximum förblir alltid på samma plats. Vi ser ingen vågrörelse åt vänster eller höger, detta kallas en stående våg." Men om symmetrin bryts pga. till exempel, ett av barnen går bakåt, situationen är annorlunda — då förändras repets dynamik och svängningens maximala position rör sig.

Sådana symmetriavbrott kan också förekomma i materialet. Elektroner lämnar sin plats och börjar röra sig, lämnar ett "hål" efter sig. Sådana elektron-hålpar stör materialets symmetri, och därmed kan elektronerna plötsligt uppvisa egenskaperna hos två olika tillstånd samtidigt. På det här sättet, två fördelar kan kombineras:Å ena sidan, det finns ett stort antal sådana elektroner, och å andra sidan, deras sannolikhet att nå detektorn är tillräckligt hög. I ett perfekt symmetriskt system, bara det ena eller det andra skulle vara möjligt. Enligt kvantmekaniken, de kan göra båda samtidigt, eftersom symmetribrytningen gör att de två tillstånden "fusionerar" (hybridiserar).

"På sätt och vis, det är lagarbete mellan elektronerna som reflekteras fram och tillbaka mellan två lager av materialet och de symmetribrytande elektronerna, " säger prof. Florian Libisch från Institutet för teoretisk fysik. "Först när du tittar på dem tillsammans kan du förklara att materialet avger elektroner med exakt denna energi på 3,7 elektronvolt."

Kolmaterial som den typ av grafit som analyseras i detta forskningsarbete spelar en stor roll idag — t.ex. 2D-materialet grafen, men också kolnanorör med liten diameter, som också har anmärkningsvärda egenskaper. "Effekten bör uppstå i mycket olika material - varhelst tunna lager hålls samman av svaga Van der Waals-krafter, " säger Wolfgang Werner. "I alla dessa material, denna mycket speciella typ av elektronemission, som vi nu kan förklara för första gången, borde spela en viktig roll."