اكتشف باحثون في جامعة TU Wien أن الإلكترونات الفارة من المواد الصلبة تتطلب حالات 'بوابة' محددة إلى جانب الطاقة الكافية فقط، مما يحل التناقضات التجريبية الطويلة الأمد. هذا الاكتشاف، المنشور في Physical Review Letters، يفسر الاختلافات في انبعاث الإلكترونات من المواد المتدرجة مثل الغرافين. يفتح هذا الفهم إمكانيات جديدة لتصميم مواد متقدمة.
يمكن للإلكترونات في المواد الصلبة اكتساب طاقة إضافية، مثل من خلال التصادمات مع إلكترونات أخرى، مما قد يسمح لها بالتحرر. يدعم هذا العملية العديد من التقنيات لكنه حير العلماء لعقود بسبب التناقضات بين النظرية والتجارب. أنا نيغاس، المؤلفة الأولى من معهد الفيزياء التطبيقية في TU Wien، تقول: 'تلعب المواد الصلبة التي تنبثق منها إلكترونات بطيئة نسبيًا دورًا رئيسيًا في الفيزياء. من طاقات هذه الإلكترونات، يمكننا استخراج معلومات قيمة عن المادة.'
افترضت النماذج التقليدية أن أي إلكترون لديه طاقة كافية سيهرب، لكن الملاحظات أظهرت خلاف ذلك. على سبيل المثال، أظهرت هياكل الغرافين ذات عدد الطبقات المختلفة طاقات داخلية للإلكترونات مشابهة لكن سلوكيات انبعاث مختلفة. يشرح البروفيسور ريتشارد فيلهيلم، رئيس مجموعة الفيزياء الذرية والبلازما في TU Wien: 'قد يفترض المرء أن جميع هذه الإلكترونات، بمجرد أن تحصل على طاقة كافية، تترك المادة ببساطة. لكن، كما يتضح، هذا ليس ما يحدث.'
يكشف الاختراق أن حتى الحالات فوق عتبة الطاقة يمكن أن تحبس الإلكترونات مكانيًا داخل المادة الصلبة. يضيف فيلهيلم: 'من وجهة نظر الطاقة، لم يعد الإلكترون مرتبطًا بالمادة الصلبة. لديه طاقة إلكترون حر، ومع ذلك يظل موجودًا مكانيًا حيث توجد المادة الصلبة.' بدلاً من ذلك، يعتمد الهروب على 'حالات البوابة'—حالات كمومية محددة ترتبط بقوة بمسارات خارجية. يقول البروفيسور فلوريان ليبيش من معهد الفيزياء النظرية: 'ترتبط هذه الحالات بقوة بتلك التي تؤدي فعليًا خارج المادة الصلبة. ليست كل حالة ذات طاقة كافية حالة بوابة—فقط تلك التي تمثل 'بابًا مفتوحًا' إلى الخارج.'
تسلط نيغاس الضوء على الآثار: 'للمرة الأولى، أظهرنا أن شكل طيف الإلكترونات لا يعتمد فقط على المادة نفسها، بل بشكل حاسم على ما إذا كانت وأين توجد مثل هذه الحالات الرنانة للبوابة.' بشكل ملحوظ، تظهر بعض حالات البوابة فقط في كومات تتجاوز خمس طبقات، مما يمكن من تصميم دقيق للمواد المتدرجة للبحث والتكنولوجيا. يظهر الدراسة في Physical Review Letters (2025; 135 (16))، مع DOI: 10.1103/qls7-tr4v.