Физики из Венского технического университета раскрыли тайну, которая сбивала ученых с толку десятилетиями. Они объяснили, почему не все электроны покидают твердое тело, даже обладая достаточной энергией для этого. Ключ к разгадке — так называемые «дверные состояния» — особые квантовые уровни, открывающие путь наружу.
Когда поток электронов ударяет по материалу, часть из них передает энергию другим, позволяя им вырваться из поверхности. Этот процесс — вторичная электронная эмиссия — лежит в основе множества технологий: от электронных микроскопов и ускорителей до старых кинескопных дисплеев. Казалось бы, чем выше энергия, тем проще вылететь, но эксперименты часто не совпадали с теорией. Это означало, что есть еще один, скрытый фактор.
Команда профессора Рихарда Вильгельма выявила, что энергия — лишь часть уравнения. Электрон может обладать «свободным» уровнем энергии, но оставаться внутри кристалла, если не попадает в резонанс с особыми состояниями, которые соединяют внутреннюю структуру с внешней средой. Именно эти уровни — «двери» — дают возможность покинуть материал.
Чтобы доказать существование таких квантовых переходов, ученые объединили моделирование и эксперименты. Они исследовали многослойные материалы, включая графен, используя метод углово-разрешенной фотоэмиссионной спектроскопии (ARPES). Эта технология позволяет измерять распределение электронов по энергии и импульсу с точностью до десятков мэВ и угловым разрешением ~0,1°. Благодаря этому удалось зафиксировать состояния, ведущие к выходу электронов наружу.
Расчеты на основе уравнения Шредингера и метода функционала плотности (DFT) подтвердили наблюдения: «дверные состояния» формируются только при толщине свыше пяти слоев. В более тонких структурах электроны остаются «запертыми», несмотря на то, что их энергия превышает порог выхода. Этот эффект открывает новые возможности для управления свойствами многослойных материалов и создания источников электронов с заданными характеристиками.
По сути ученые нашли способ «увидеть» невидимое — переход между связанным и свободным состоянием частицы. Это открытие поможет создавать более точные катоды для ускорителей, улучшить детекторы излучения и разработать новые методы контроля поверхности материалов.
Исследование, опубликованное в Physical Review Letters, решает старую загадку физики конденсированного состояния и дает инженерам инструмент для проектирования электроники будущего, где каждая частица будет работать по расчету.
Ранее мы писали о том, что российские ученые обнаружили скрытый механизм работы памяти в мозге.
