Замислите жабу у кутији са отвором на једној страни. Да ли може да побегне зависи од тога колико енергије има: ако може да скочи довољно високо, могао би, теоретски, да стигне до отвора. Али за успех је потребно више од самог скока у вис – потребно је и да прође кроз тај отвор.
Електрони унутар чврстих материјала понашају се на изненађујуће сличан начин. Када добију додатну енергију (на пример, када материјал ударе други електрони), понекад се могу отргнути од чврсте материје. Овај процес је познат деценијама и чини основу многих технологија. Међутим, донедавно научници то нису могли прецизно израчунати. Истраживачи из неколико група на ТУ Виен сада су пронашли решење. Као што жаба мора да пронађе прави отвор, електрон такође треба да лоцира одређени „излаз“, познат као „стање врата“.
Једноставно подешавање, неочекивани резултати
„Чврсте материје из којих настају релативно спори електрони играју кључну улогу у физици. Из енергија ових електрона можемо извући вредне информације о материјалу“, објашњава Ана Нигас са Института за примењену физику ТУ Беч, први аутор студије.
Унутар сваког материјала, електрони могу постојати са низом енергија. Све док остану испод одређене енергетске границе, остају заробљени. Када се материјал снабдева додатном енергијом, неки електрони могу да пређу ову границу.
„Могло би се претпоставити да сви ови електрони, када имају довољно енергије, једноставно напусте материјал“, каже проф. Рицхард Вилхелм, шеф групе за атомску и плазму физику на ТУ Виен. „Да је то тачно, ствари би биле једноставне: само бисмо погледали енергију електрона унутар материјала и директно закључили који електрони би требало да се појаве напољу. Али, како се испоставило, то се не дешава.“
Теоријски модели и експериментални налази се често нису поклапали. Ова неусклађеност је била посебно збуњујућа јер „различити материјали – као што су структуре графена са различитим количинама слојева – могу имати веома сличне енергетске нивое електрона, али показују потпуно различита понашања у емитованим електронима“, каже Ана Нигас.
Нема излаза без врата
Кључно откриће је да сама енергија не може да одреди да ли електрон побегне. Постоје квантна стања изнад енергетског прага која још увек не успевају да изађу из материјала, што је чињеница која недостаје ранијим моделима. „Са енергетске тачке гледишта, електрон више није везан за чврсту материју. Има енергију слободног електрона, али и даље остаје просторно лоциран тамо где се налази чврста супстанца“, каже Ричард Вилхелм. Електрон се понаша као жаба која скочи довољно високо, али не успева да пронађе излаз.
„Електрони морају да заузимају врло специфична стања – такозвана стања врата“, објашњава професор Флоријан Либиш са Института за теоријску физику. „Ова стања се снажно повезују са онима која заправо воде из чврстог. Није свако стање са довољно енергије такво стање врата – само она која представљају ‘отворена врата’ ка споља.“
„Први пут смо показали да облик спектра електрона зависи не само од самог материјала, већ од пресудног значаја од тога да ли и где постоје таква резонантна стања врата“, каже Ана Нигас. Занимљиво је да се нека од ових стања појављују само када је више од пет слојева материјала наслагано. Овај увид нуди нове могућности за прецизно пројектовање и примену слојевитих материјала како у истраживању тако иу напредним технологијама.
