Des chercheurs de la TU Wien ont découvert que les électrons s'échappant des matériaux solides nécessitent des 'états de porte' spécifiques au-delà d'une énergie suffisante, résolvant des anomalies expérimentales de longue date. Cette découverte, publiée dans Physical Review Letters, explique les variations dans l'émission d'électrons de matériaux en couches comme le graphène. Cette compréhension ouvre de nouvelles possibilités pour l'ingénierie de matériaux avancés.
Les électrons dans les matériaux solides peuvent acquérir une énergie supplémentaire, par exemple par des impacts d'autres électrons, ce qui pourrait leur permettre de s'échapper. Ce processus sous-tend de nombreuses technologies mais a perplexé les scientifiques pendant des décennies en raison de divergences entre théorie et expériences. Anna Niggas, première auteure de l'Institut de Physique Appliquée de la TU Wien, note : 'Les solides d'où émergent des électrons relativement lents jouent un rôle clé en physique. Des énergies de ces électrons, nous pouvons extraire des informations précieuses sur le matériau.'
Les modèles traditionnels supposaient que tout électron avec assez d'énergie s'échapperait, mais les observations montraient le contraire. Par exemple, des structures de graphène avec des nombres de couches variables présentaient des énergies internes d'électrons similaires mais des comportements d'émission différents. Le prof. Richard Wilhelm, chef du groupe de Physique Atomique et Plasma à la TU Wien, explique : 'On pourrait supposer que tous ces électrons, une fois qu'ils ont assez d'énergie, quittent simplement le matériau. Mais, comme il s'avère, ce n'est pas ce qui se passe.'
La percée révèle que même des états au-dessus du seuil d'énergie peuvent piéger les électrons spatialement dans le solide. Wilhelm ajoute : 'D'un point de vue énergétique, l'électron n'est plus lié au solide. Il a l'énergie d'un électron libre, mais il reste spatialement situé là où se trouve le solide.' Au lieu de cela, l'échappement dépend des 'états de porte'—des états quantiques spécifiques qui se couplent fortement à des chemins externes. Le prof. Florian Libisch de l'Institut de Physique Théorique déclare : 'Ces états se couplent fortement à ceux qui mènent réellement hors du solide. Tout état avec énergie suffisante n'est pas un état de porte—seulement ceux qui représentent une 'porte ouverte' vers l'extérieur.'
Niggas met en lumière les implications : 'Pour la première fois, nous avons montré que la forme du spectre d'électrons ne dépend pas seulement du matériau lui-même, mais crucialement de la présence et de l'emplacement de tels états de porte résonants.' Notamment, certains états de porte n'apparaissent que dans des empilements dépassant cinq couches, permettant un design précis de matériaux en couches pour la recherche et la technologie. L'étude paraît dans Physical Review Letters (2025 ; 135 (16)), avec DOI : 10.1103/qls7-tr4v.