В физике это обычное дело: электроны покидают определенный материал, улетают, а затем их измеряют. Некоторые материалы излучают электроны при облучении светом. Эти электроны тогда называют "фотоэлектронами". В исследованиях материалов важную роль также играют так называемые "оже-электроны" — они могут испускаться атомами, если сначала удалить электрон из одной из внутренних электронных оболочек. Но теперь ученым из TU Wien (Вена) удалось объяснить совершенно другой тип электронной эмиссии, который может происходить в углеродных материалах, таких как графит. Эта электронная эмиссия была открыта еще 50 лет назад, но ее природа оставалась неясной.
Странные электроны
Многие исследователи уже задавались этим вопросом. Есть материалы, которые состоят из атомных слоев, которые удерживаются вместе только слабыми силами Ван-дер-Ваальса, например графит. И, было обнаружено, что этот тип графита излучает очень специфические электроны, которые имеют одинаковую энергию, а именно 3,7 электронвольта.
Никакой известный физический механизм не может объяснить эту эмиссию электронов. Но, по крайней мере, измеренная энергия показала, где искать: Если эти атомно тонкие слои лежат друг на друге, между ними может образоваться определенное электронное состояние. Вы можете представить это как электрон, который непрерывно отражается взад и вперед между двумя слоями, пока в какой-то момент он не проникает через слой и не вырывается наружу. Энергия этих состояний на самом деле хорошо согласуется с наблюдаемыми данными — поэтому люди предполагали, что есть какая-то связь, но одно это не было объяснением.
Чтобы это изменить, необходимо нарушить внутреннюю симметрию электронных состояний. Вы можете представить это как прыжок со скакалкой. Двое детей держат длинную веревку и перемещают 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 месте. Мы не видим движения волн влево или вправо, это называется стоячей волной. Но если симметрия нарушена из-за того, что, например, один из детей движется назад, ситуация иная — тогда меняется динамика веревки и перемещается максимальное положение колебания.
Подобные нарушения симметрии также могут возникать в материале. Электроны покидают свое место и начинают двигаться, оставляя за собой "дыру". Такие электронно-дырочные пары нарушают симметрию материала, и поэтому может случиться так, что электроны одновременно приобретут свойства двух разных состояний. Таким образом можно объединить два преимущества: с одной стороны, существует большое количество таких электронов, а с другой стороны, их вероятность достичь детектора достаточно высока. В идеально симметричной системе возможно только одно или другое. Согласно квантовой механике, они могут делать и то, и другое одновременно, потому что преломление симметрии заставляет два состояния гибридизоваться.
В некотором смысле это совместная работа между электронами, отражающимися взад и вперед между двумя слоями материала, и электронами, нарушающими симметрию. Только когда вы посмотрите на них вместе, вы сможете объяснить, что материал излучает электроны именно с этой энергией 3,7 электронвольта.
Углеродные материалы, такие как тип графита, анализируемый в этой исследовательской работе, сегодня играют важную роль — например, двухмерный материал графен, а также углеродные нанотрубки крошечного диаметра, которые также обладают замечательными свойствами. Эффект должен проявляться в самых разных материалах — везде, где тонкие слои удерживаются вместе слабыми силами Ван-дер-Ваальса. Во всех этих материалах этот особый тип электронной эмиссии, который мы теперь можем впервые объяснить, должен играть важную роль.
