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.