É algo bastante comum na física:os elétrons deixam um certo material, voam para longe e são medidos. Alguns materiais emitem elétrons quando são irradiados com luz. Esses elétrons são chamados de fotoelétrons. Na pesquisa de materiais, os chamados elétrons Auger também desempenham um papel importante - eles podem ser emitidos por átomos se um elétron for removido primeiro de uma das camadas internas do elétron. Mas agora os cientistas da TU Wien (Viena) conseguiram explicar um tipo completamente diferente de emissão de elétrons que pode ocorrer em materiais de carbono como o grafite. Este tipo de emissão de elétrons é conhecido há cerca de 50 anos, mas sua causa não era clara.

Elétrons estranhos sem explicação

“Muitos pesquisadores já se perguntaram sobre isso, "diz o Prof. Wolfgang Werner do Instituto de Física Aplicada." Existem materiais, que consistem em camadas atômicas que são mantidas juntas apenas por forças fracas de Van der Waals, por exemplo, grafite. E foi descoberto que este tipo de grafite emite elétrons muito específicos que têm exatamente a mesma energia, a saber, 3,7 elétron-volts. "

Os pesquisadores não conseguiram encontrar um mecanismo físico para explicar essa emissão de elétrons. Mas pelo menos a energia medida deu uma indicação de onde olhar:"Se essas camadas atomicamente finas ficarem uma sobre a outra, um certo estado de elétron pode se formar no meio, "diz Wolfgang Werner." Você pode imaginá-lo como um elétron que é continuamente refletido para frente e para trás entre as duas camadas até que em algum ponto penetre na camada e escape para o exterior. "

A energia desses estados realmente se encaixa bem com os dados observados - então as pessoas presumiram que há alguma conexão, mas só isso não era explicação. "Os elétrons nesses estados não devem realmente atingir o detector, "diz a Dra. Alessandra Bellissimo, um dos autores da publicação atual. "Na linguagem da física quântica, dir-se-ia:a probabilidade de transição é muito baixa."

Pular cordas e simetria

Para mudar isso, a simetria interna dos estados do elétron deve ser quebrada. "Você pode imaginar isso como pular corda, "diz Wolfgang Werner." Duas crianças seguram uma corda comprida e movem as pontas. Na realidade, ambos criam uma onda que normalmente se propagaria de um lado para o outro da corda. Mas se o sistema for simétrico e as duas crianças se comportarem da mesma maneira, então a corda apenas se move para cima e para baixo. O máximo da onda sempre permanece no mesmo lugar. Não vemos nenhum movimento da onda para a esquerda ou direita, isso é chamado de onda estacionária. "Mas se a simetria for quebrada porque, por exemplo, uma das crianças se move para trás, a situação é diferente - então a dinâmica da corda muda e a posição máxima da oscilação se move.

Essas quebras de simetria também podem ocorrer no material. Os elétrons saem de seus lugares e começam a se mover, deixando um "buraco" para trás. Esses pares elétron-buraco perturbam a simetria do material, e assim os elétrons podem exibir repentinamente as propriedades de dois estados diferentes simultaneamente. Desta maneira, duas vantagens podem ser combinadas:por um lado, há um grande número desses elétrons, e por outro lado, sua probabilidade de alcançar o detector é suficientemente alta. Em um sistema perfeitamente simétrico, apenas um ou outro seria possível. De acordo com a mecânica quântica, eles podem fazer ambos ao mesmo tempo, porque a refração de simetria faz com que os dois estados se "fundam" (hibridem).

"Num sentido, é o trabalho em equipe entre os elétrons refletidos para frente e para trás entre duas camadas do material e os elétrons que quebram a simetria, "diz o Prof. Florian Libisch do Instituto de Física Teórica." Só quando você olha para eles juntos pode explicar que o material emite elétrons exatamente com esta energia de 3,7 elétron-volts. "

Materiais de carbono, como o tipo de grafite analisado neste trabalho de pesquisa, desempenham um papel importante hoje - por exemplo, o material grafeno 2-D, mas também nanotubos de carbono de diâmetro minúsculo, que também têm propriedades notáveis. "O efeito deve ocorrer em materiais muito diferentes - onde quer que camadas finas sejam mantidas juntas por forças fracas de Van der Waals, "diz Wolfgang Werner." Em todos esses materiais, este tipo muito especial de emissão de elétrons, que agora podemos explicar pela primeira vez, deve desempenhar um papel importante. "