Investigadores de la TU Wien han descubierto que los electrones que escapan de materiales sólidos requieren estados de 'puerta' específicos más allá de solo tener suficiente energía, resolviendo anomalías experimentales de larga data. Este hallazgo, publicado en Physical Review Letters, explica las variaciones en la emisión de electrones de materiales en capas como el grafeno. La comprensión abre nuevas posibilidades para diseñar materiales avanzados.
Los electrones en materiales sólidos pueden ganar energía extra, como de impactos por otros electrones, lo que potencialmente les permite liberarse. Este proceso sustenta muchas tecnologías, pero ha desconcertado a los científicos durante décadas debido a discrepancias entre la teoría y los experimentos. Anna Niggas, primera autora del Instituto de Física Aplicada de la TU Wien, señala: 'Los sólidos de los que emergen electrones relativamente lentos juegan un papel clave en la física. De las energías de estos electrones, podemos extraer información valiosa sobre el material.'
Los modelos tradicionales asumían que cualquier electrón con suficiente energía escaparía, pero las observaciones mostraban lo contrario. Por ejemplo, estructuras de grafeno con diferentes números de capas exhibían energías internas de electrones similares pero comportamientos de emisión diferentes. El prof. Richard Wilhelm, jefe del grupo de Física Atómica y de Plasma en la TU Wien, explica: 'Uno podría asumir que todos estos electrones, una vez que tienen suficiente energía, simplemente abandonan el material. Pero, resulta que no es así.'
El avance revela que incluso estados por encima del umbral de energía pueden atrapar electrones espacialmente dentro del sólido. Wilhelm añade: 'Desde un punto de vista energético, el electrón ya no está unido al sólido. Tiene la energía de un electrón libre, pero aún permanece ubicado espacialmente donde está el sólido.' En cambio, la escapada depende de 'estados de puerta': estados cuánticos específicos que se acoplan fuertemente a caminos externos. El prof. Florian Libisch del Instituto de Física Teórica afirma: 'Estos estados se acoplan fuertemente a aquellos que realmente llevan fuera del sólido. No todo estado con suficiente energía es un estado de puerta: solo aquellos que representan una 'puerta abierta' al exterior.'
Niggas resalta las implicaciones: 'Por primera vez, hemos demostrado que la forma del espectro de electrones no depende solo del material en sí, sino crucialmente de si y dónde existen tales estados de puerta resonantes.' Notablemente, algunos estados de puerta emergen solo en pilas que exceden cinco capas, permitiendo el diseño preciso de materiales en capas para investigación y tecnología. El estudio aparece en Physical Review Letters (2025; 135 (16)), con DOI: 10.1103/qls7-tr4v.