Fotoemission är en egenskap hos metaller och andra material som avger elektroner när de träffas av ljus. Elektronemission efter ljusabsorption förklarades redan av Albert Einstein. Men eftersom denna effekt är en mycket komplex process, vetenskapsmän har fortfarande inte kunnat klargöra dess detaljer helt. Professor Dr. Bernd von Issendorff och hans team vid University of Freiburg's Institute of Physics har nu lyckats upptäcka en tidigare okänd kvanteffekt i vinkelfördelningarna av fotoelektroner från kryogena massvalda metallkluster. Vinkelfördelningarna liknar de för klassiska partiklar, ett beteende som förvånansvärt kan förklaras av den starka elektron-elektron-interaktionen i dessa många-elektron-system. Forskarna publicerade detta fynd i det aktuella numret av Fysiska granskningsbrev .

Elektroner med väldefinierade vinkelmoment

Metallkluster kan ses som kvantsystem som består av en mätbar mängd kvantpartiklar - i detta fall elektroner - i en enkel sfärisk lådpotential. Elektroner i enkla metallkluster har relativt väldefinierade vinkelmoment, även om ett kluster aldrig är helt runt. Detta beror på den praktiskt taget optimala avskärmningen av atomkärnorna av elektronsystemet. Därav, en enda elektron upplever bara en genomsnittlig interaktion som är anmärkningsvärt nära interaktionen med en sfärisk lådpotential. Som en konsekvens, elektronerna antar praktiskt taget vinkelmomentets egenstat, d.v.s. rotera med en väldefinierad vinkelmoment. Dessutom, fotoemissionen av elektronen sker endast vid klusterytan, eftersom bara där kan den erforderliga radiella momentum överföras till elektronen.

Elektronemission sker endast vid ytan

Forskare förväntade sig att elektronens momentum skulle bevaras parallellt med ytan under fotoemission, eftersom det inte finns några krafter som verkar i denna riktning. "Eftersom en elektron med en definierad vinkelmoment vid ytan har en definierad momentum parallell med den, man kan anta, "förklarar von Issendorff, "att elektronernas vinkelfördelning motsvarar den för bollar som helt enkelt släpps av barn från en roterande rundtur. De flyger inte radiellt utåt utan tangentiellt till cirkelbanan." Freiburg -forskarna observerade just denna effekt på metallkluster, sålunda verifierar man att elektronerna verkligen kan ses som partiklar som roterar i en lådpotential och att elektronemissionen faktiskt bara sker vid ytan. Överaskningen, dock, säger von Issendorff, är att denna observation är helt motsägelsefull mot kvantmekaniska simuleringar, som alltid förutsäger ett mycket mer komplext beteende som domineras av slutsatser och resonanser i joniseringsprocessen.

Matematisk beskrivning av vinkelfunktionerna

Dock, Freiburg -forskarna kunde lösa denna motsättning:På grundval av deras tidigare arbete och i diskussioner med forskare vid Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems i Dresden, de härledde en fullständig matematisk beskrivning av vinkelfunktionerna som mycket väl motsvarar experimentet. Kärnantagandet för denna nya beskrivning är att klustret är helt otransparent för elektroner:Elektroner bromsas kraftigt inuti klustret. Detta leder till ett undertryck av interferens- och resonanseffekterna och därmed till ett nästan klassiskt beteende. Det var redan känt att dekoherens undertrycker störningar. Vad är nytt, dock, är att den starka spridningen inte leder till en fullständig utspolning av elektronernas vinkelfördelningar, men tvärtom, producerar mycket strukturerade och nästan klassiska distributioner.

Beteende som en klassisk partikel

"Vi är vana vid kvanteffekter som dominerar i små skalor, medan en klassisk beskrivning ofta är en bra approximation för effekter på större skalor, "förklarar von Issendorff." Här, klassiskt beteende uppstår även i liten skala genom avledning. Det komplicerade samspelet mellan en mängd elektroner resulterar i att en av dessa elektroner beter sig som en klassisk partikel. "