数十年的老谜团解决了：一个“新的电子”

为什么某些材料具有非常具体的能量发出电子？这是几十年的谜团 - Tu Wien的科学家找到了一个答案。

它在物理学中非常常见：电子留下某种材料，它们飞走，然后测量它们。当用光照射时，一些材料发出电子。然后将这些电子称为“光电子”。在材料研究中，所谓的“螺旋钻电子”也发挥着重要作用 - 如果首先从一个内电子壳中除去电子，则可以通过原子发射。但现在Tu Wien（维也纳）的科学家成功地解释了一种完全不同类型的电子发射，这可能发生在碳材料如石墨中。这种电子发射已知约50年，但其原因仍然不清楚。

奇怪的电子没有解释

“许多研究人员已经知道这一点，”沃尔夫冈·沃尔纳教授从应用物理研究所说。“有材料包括由弱范德瓦尔斯力的原子层组成，例如石墨。并且发现这种类型的石墨发射非常特定的电子，这一切都具有完全相同的能量，即3.7电子伏特。“

没有已知的物理机制可以解释这种电子发射。但至少测量的能量给出了看哪所在的位置：“如果这些原子薄层彼此叠置，则某种电子状态可以在其间形成，”Wolfgang Werner说。“你可以想象它是一种电子，它在两层之间来回连续反射，直到它渗透到层并逃到外部。”

Florian Libisch，Philipp Ziegler，Wolfgang Werner und Alessandra Bellissimo（左右）。

这些国家的能量实际上与观察到的数据很好 - 所以人们认为有一些连接，但单独的是没有解释。“这些状态中的电子实际上不应该到达探测器，”当前出版物的作者之一作者博士说，“alessandra Bellissimo博士说。“在量子物理学的语言中，人们会说：过渡概率太低了。“

跳绳和对称性

为了改变这一点，必须破坏电子状态的内部对称性。“你可以想象像绳索跳绳，”沃尔夫冈·沃尔纳说。“两个孩子拿着长绳，移动终点。实际上，两者都产生通常从绳索的一侧传播到另一侧的波。但如果系统是对称的，并且两个孩子都以同样的方式行事，那么绳子就会上下移动。波浪最大值总是保持在同一个地方。我们没有看到左侧或右侧的任何波动，这被称为常设波。“但是，如果对称性被破坏，例如，例如一个孩子向后移动，情况是不同的 - 然后绳索的动态变化和振荡移动的最大位置。

这些对称性断裂也可能发生在材料中。电子离开他们的地方并开始移动，留下一个“洞”。这种电子孔对干扰材料的对称性，因此可以发生电子突然同时具有两个不同状态的性质。通过这种方式，可以组合两个优点：一方面，存在大量这样的电子，另一方面，它们到达探测器的概率足够高。在一个完美的对称系统中，只有一个或另一个是可能的。根据量子力学，它们可以同时进行，因为对称折射导致两个状态“合并”（杂交）。

“从某种意义上说，它是在两层材料和对称的电子之间来回反射的电子之间的团队合作，”来自理论物理研究所的Florian Libisch教授说。“只有当你一起看着它们时，你可以解释材料发出精确的3.7电子伏特的电子。”

本研究工作中分析的石墨类型的碳材料在今天发挥了重要作用 - 例如，2D材料石墨烯，但也具有微小直径的碳纳米管，这也具有显着的性质。“这种效果应该发生在非常不同的材料中 - 无论薄层都是通过弱范德瓦尔斯力举在一起的地方，”Wolfgang Werner说。“在所有这些材料中，这种非常特殊类型的电子发射，我们现在可以首次解释，应该发挥重要作用。”

参考：“通过沃尔夫冈S. M. Werner，VytautasAstašauskas，菲利普·斯蒂芬拉·贝莱斯莫，Giovanni Stefani，Lukas Linhart和Florian Linhart和Libisch，2020年11月6日，物理审查信件.DOI：
10.1103 / physrevlett.125.196603