Forskare vid TU Wien har upptäckt att elektroner som flyr från fasta material kräver specifika 'dörrstater' utöver bara tillräcklig energi, vilket löser långvariga experimentella anomalier. Detta fynd, publicerat i Physical Review Letters, förklarar variationer i elektronemission från skiktade material som grafen. Insikten öppnar nya möjligheter för att konstruera avancerade material.
Elektroner i fasta material kan få extra energi, till exempel från kollisioner med andra elektroner, vilket potentiellt tillåter dem att bryta sig fria. Denna process ligger till grund för många teknologier men har förbryllat forskare i årtionden på grund av avvikelser mellan teori och experiment. Anna Niggas, försteförfattare från TU Wiens Institut för Tillämpad Fysik, noterar: 'Fasta ämnen från vilka relativt långsamma elektroner framträder spelar en nyckelroll i fysiken. Från dessa elektroners energier kan vi extrahera värdefull information om materialet.'
Traditionella modeller antog att vilken elektron som helst med tillräcklig energi skulle fly, men observationer visade annat. Till exempel uppvisade grafenstrukturer med varierande antal lager liknande interna elektronenergier men olika emissionsbeteenden. Prof. Richard Wilhelm, chef för Atom- och Plasmafysikgruppen vid TU Wien, förklarar: 'Man kanske antar att alla dessa elektroner, när de väl har tillräcklig energi, helt enkelt lämnar materialet. Men det visar sig inte vara fallet.'
Genombrottet visar att även tillstånd över energigränsen kan fånga elektroner rumsligt inom det fasta ämnet. Wilhelm tillägger: 'Ur energisynpunkt är elektronen inte längre bunden till det fasta ämnet. Den har energin hos en fri elektron, men den förblir ändå rumsligt lokaliserad där det fasta ämnet är.' Istället beror flykten på 'dörrstater'—specifika kvanttillstånd som starkt kopplar till externa vägar. Prof. Florian Libisch från Institutet för Teoretisk Fysik säger: 'Dessa tillstånd kopplar starkt till de som faktiskt leder ut ur det fasta ämnet. Inte varje tillstånd med tillräcklig energi är en dörrstat—endast de som representerar en 'öppen dörr' till utsidan.'
Niggas belyser implikationerna: 'För första gången har vi visat att formen på elektron spektrumet inte bara beror på materialet självt, utan avgörande på om och var sådana resonanta dörrstater existerar.' Noterbart är att vissa dörrstater bara uppstår i staplar som överstiger fem lager, vilket möjliggör precist utformande av skiktade material för forskning och teknik. Studien publiceras i Physical Review Letters (2025; 135 (16)), med DOI: 10.1103/qls7-tr4v.