Het is iets heel gewoons in de natuurkunde:elektronen laten een bepaald materiaal achter, wegvliegen en vervolgens worden gemeten. Sommige materialen zenden elektronen uit wanneer ze worden bestraald met licht. Deze elektronen worden foto-elektronen genoemd. Bij materiaalonderzoek Ook de zogenaamde Auger-elektronen spelen een belangrijke rol:ze kunnen door atomen worden uitgezonden als eerst een elektron uit een van de binnenste elektronenschillen wordt verwijderd. Maar nu zijn wetenschappers van de TU Wien (Wenen) erin geslaagd een heel ander type elektronenemissie te verklaren dat kan optreden in koolstofmaterialen zoals grafiet. Dit type elektronenemissie is al ongeveer 50 jaar bekend, maar de oorzaak was voorheen onduidelijk.

Vreemde elektronen zonder uitleg

"Veel onderzoekers hebben zich dit al afgevraagd, " zegt prof. Wolfgang Werner van het Institute of Applied Physics. "Er zijn materialen, die bestaan ​​uit atomaire lagen die alleen bij elkaar worden gehouden door zwakke Van der Waals-krachten, bijvoorbeeld grafiet. En er werd ontdekt dat dit type grafiet zeer specifieke elektronen uitzendt die allemaal precies dezelfde energie hebben, namelijk 3,7 elektron volt."

Onderzoekers hebben geen fysiek mechanisme kunnen vinden om deze elektronenemissie te verklaren. Maar de gemeten energie gaf in ieder geval een indicatie van waar te kijken:"Als deze atomair dunne lagen op elkaar liggen, daartussen kan een bepaalde elektronentoestand ontstaan, " zegt Wolfgang Werner. "Je kunt het je voorstellen als een elektron dat continu heen en weer wordt gereflecteerd tussen de twee lagen totdat het op een gegeven moment de laag binnendringt en naar buiten ontsnapt."

De energie van deze toestanden past eigenlijk goed bij de waargenomen gegevens - dus mensen gingen ervan uit dat er een verband was, maar dat alleen was geen verklaring. "De elektronen in deze toestanden zouden de detector eigenlijk niet moeten bereiken, " zegt Dr. Alessandra Bellissimo, een van de auteurs van de huidige publicatie. "In de taal van de kwantumfysica zou je zeggen:de overgangswaarschijnlijkheid is gewoon te laag."

Koorden en symmetrie overslaan

Om dit te veranderen, de interne symmetrie van de elektronentoestanden moet worden doorbroken. "Je kunt je dit voorstellen als touwtjespringen, " zegt Wolfgang Werner. "Twee kinderen houden een lang touw vast en verplaatsen de eindpunten. Werkelijk, beide creëren een golf die zich normaal gesproken van de ene kant van het touw naar de andere zou voortplanten. Maar als het systeem symmetrisch is en beide kinderen zich op dezelfde manier gedragen, dan beweegt het touw gewoon op en neer. Het golfmaximum blijft altijd op dezelfde plaats. We zien geen golfbeweging naar links of rechts, dit wordt een staande golf genoemd." Maar als de symmetrie wordt verbroken omdat, bijvoorbeeld, een van de kinderen gaat achteruit, de situatie is anders - dan verandert de dynamiek van het touw en de maximale positie van de oscillatie beweegt.

Dergelijke symmetrie-breuken kunnen ook in het materiaal voorkomen. Elektronen verlaten hun plaats en beginnen te bewegen, een "gat" achterlaten. Dergelijke elektron-gatparen verstoren de symmetrie van het materiaal, en dus kunnen de elektronen plotseling de eigenschappen van twee verschillende toestanden tegelijk vertonen. Op deze manier, twee voordelen kunnen worden gecombineerd:aan de ene kant, er is een groot aantal van dergelijke elektronen, en aan de andere kant, hun kans om de detector te bereiken is voldoende groot. In een perfect symmetrisch systeem, alleen het een of het ander zou mogelijk zijn. Volgens de kwantummechanica, ze kunnen beide tegelijk doen, omdat de symmetriebreking ervoor zorgt dat de twee toestanden "samensmelten" (hybridiseren).

"In zekere zin het is teamwork tussen de elektronen die heen en weer worden gereflecteerd tussen twee lagen van het materiaal en de symmetrie-brekende elektronen, " zegt prof. Florian Libisch van het Instituut voor Theoretische Fysica. "Alleen als je ze samen bekijkt, kun je verklaren dat het materiaal elektronen uitzendt met precies deze energie van 3,7 elektronvolt."

Koolstofmaterialen zoals het type grafiet dat in dit onderzoekswerk is geanalyseerd, spelen tegenwoordig een belangrijke rol, bijvoorbeeld het 2D-materiaal grafeen, maar ook koolstofnanobuisjes met een kleine diameter, die ook opmerkelijke eigenschappen hebben. "Het effect zou in heel verschillende materialen moeten optreden - overal waar dunne lagen bij elkaar worden gehouden door zwakke Van der Waals-krachten, " zegt Wolfgang Werner. "In al deze materialen, dit zeer speciale type elektronenemissie, die we nu voor het eerst kunnen verklaren, een belangrijke rol moeten spelen."