Foto-emissie is een eigenschap van metalen en andere materialen die elektronen uitzenden wanneer ze door licht worden geraakt. Elektronenemissie na lichtabsorptie werd al uitgelegd door Albert Einstein. Maar aangezien dit effect een zeer complex proces is, wetenschappers zijn er nog steeds niet in geslaagd om de details ervan volledig op te helderen. Prof. Dr. Bernd von Issendorff en zijn team van het Institute of Physics van de Universiteit van Freiburg zijn er nu in geslaagd een voorheen onbekend kwantumeffect te detecteren in de hoekverdelingen van foto-elektronen van cryogene massa-geselecteerde metaalclusters. De hoekverdelingen lijken op die van klassieke deeltjes, een gedrag dat verrassend verklaarbaar is door de sterke elektron-elektron interactie in deze veel-elektron systemen. De onderzoekers publiceerden deze bevinding in het huidige nummer van Fysieke beoordelingsbrieven .

Elektronen met goed gedefinieerde hoekmomenten

Metaalclusters kunnen worden gezien als kwantumsystemen die bestaan ​​uit een aftelbare hoeveelheid kwantumdeeltjes - in dit geval elektronen - in een eenvoudige bolvormige doospotentiaal. Elektronen in eenvoudige metalen clusters hebben relatief goed gedefinieerde hoekmomenten, hoewel een cluster nooit perfect rond is. Dit komt door de vrijwel optimale afscherming van de atoomkernen door het elektronensysteem. Vandaar, een enkel elektron ervaart slechts een gemiddelde interactie die opmerkelijk dicht bij de interactie met een bolvormige doospotentiaal ligt. Als gevolg hiervan, de elektronen nemen praktisch eigentoestanden van het impulsmoment aan, d.w.z., roteren met een goed gedefinieerd impulsmoment. Bovendien, de foto-emissie van het elektron vindt alleen plaats aan het clusteroppervlak, omdat alleen daar het vereiste radiale momentum op het elektron kan worden overgedragen.

Elektronenemissie vindt alleen aan het oppervlak plaats

Onderzoekers verwachtten dat het momentum van het elektron parallel aan het oppervlak zou worden behouden tijdens foto-emissie, omdat er geen krachten in deze richting werken. "Omdat een elektron met een gedefinieerd impulsmoment aan het oppervlak een gedefinieerd momentum parallel daaraan heeft, het zou kunnen worden aangenomen, " legt von Issendorff uit, "dat de hoekverdeling van de elektronen overeenkomt met die van ballen die eenvoudigweg door kinderen worden losgelaten uit een roterende draaimolen. Ze vliegen niet radiaal naar buiten, maar tangentieel naar het cirkelvormige pad." De onderzoekers van Freiburg zagen precies dit effect op metaalclusters, dus verifiërend dat de elektronen inderdaad kunnen worden gezien als deeltjes die in een doospotentiaal roteren en dat de elektronenemissie eigenlijk alleen aan het oppervlak plaatsvindt. De verrassing, echter, zegt von Issendorff, is dat deze waarneming volledig in tegenspraak is met kwantummechanische simulaties, die altijd een veel complexer gedrag voorspellen dat wordt gedomineerd door gevolgtrekkingen en resonanties in het ionisatieproces.

Wiskundige beschrijving van de hoekfuncties

Echter, de onderzoekers van Freiburg hebben deze tegenstrijdigheid kunnen oplossen:op basis van hun eerdere werk en in discussies met onderzoekers van het Max Planck Instituut voor de fysica van complexe systemen in Dresden, ze hebben een volledige wiskundige beschrijving van de hoekfuncties afgeleid die heel goed overeenkomt met het experiment. De kernaanname van deze nieuwe beschrijving is dat het cluster volledig ondoorzichtig is voor elektronen:elektronen worden sterk vertraagd binnen het cluster. Dit leidt tot een onderdrukking van de interferentie- en resonantie-effecten en dus tot een bijna klassiek gedrag. Het was al bekend dat decoherentie interferenties onderdrukt. Wat is nieuw, echter, is dat de sterke dissipatie niet leidt tot een volledige uitspoeling van de hoekverdelingen van de elektronen, maar integendeel, produceert zeer gestructureerde en bijna klassieke distributies.

Gedrag als een klassiek deeltje

"We zijn gewend aan kwantumeffecten die op kleine schaal overheersen, overwegende dat een klassieke beschrijving vaak een goede benadering is voor effecten op grotere schaal, " legt von Issendorff uit. "Hier, klassiek gedrag ontstaat zelfs op kleine schaal door dissipatie. Het gecompliceerde samenspel tussen een veelvoud aan elektronen zorgt ervoor dat een van deze elektronen zich gedraagt ​​als een klassiek deeltje."