È qualcosa di abbastanza comune in fisica:gli elettroni lasciano un certo materiale, volano via e vengono poi misurati. Alcuni materiali emettono elettroni quando vengono irradiati con la luce. Questi elettroni sono chiamati fotoelettroni. Nella ricerca sui materiali, Anche i cosiddetti elettroni Auger svolgono un ruolo importante:possono essere emessi dagli atomi se un elettrone viene prima rimosso da uno dei gusci elettronici interni. Ma ora gli scienziati della TU Wien (Vienna) sono riusciti a spiegare un tipo completamente diverso di emissione di elettroni che può verificarsi nei materiali di carbonio come la grafite. Questo tipo di emissione di elettroni è noto da circa 50 anni, ma la sua causa non era precedentemente chiara.

Elettroni strani senza spiegazione

"Molti ricercatori si sono già interrogati su questo, " afferma il prof. Wolfgang Werner dell'Istituto di fisica applicata. "Ci sono materiali, che consistono in strati atomici tenuti insieme solo da deboli forze di Van der Waals, per esempio grafite. E si è scoperto che questo tipo di grafite emette elettroni molto specifici che hanno tutti esattamente la stessa energia, vale a dire 3,7 elettronvolt."

I ricercatori non sono stati in grado di trovare un meccanismo fisico per spiegare questa emissione di elettroni. Ma almeno l'energia misurata ha dato un'indicazione su dove guardare:"Se questi strati atomicamente sottili si trovano uno sopra l'altro, un certo stato di elettroni può formarsi nel mezzo, " dice Wolfgang Werner. "Puoi immaginarlo come un elettrone che viene continuamente riflesso avanti e indietro tra i due strati fino a quando ad un certo punto penetra nello strato e fuoriesce verso l'esterno".

L'energia di questi stati in realtà si adatta bene ai dati osservati, quindi la gente presume che ci sia qualche connessione, ma quella da sola non era una spiegazione. "Gli elettroni in questi stati non dovrebbero effettivamente raggiungere il rivelatore, " dice la Dott.ssa Alessandra Bellissimo, uno degli autori della pubblicazione in corso. "Nel linguaggio della fisica quantistica si direbbe:la probabilità di transizione è troppo bassa".

Corde saltate e simmetria

Per cambiare questo, la simmetria interna degli stati elettronici deve essere rotta. "Puoi immaginarlo come un salto con la corda, " dice Wolfgang Werner. "Due bambini tengono una lunga corda e spostano i punti finali. In realtà, entrambi creano un'onda che normalmente si propagherebbe da un lato all'altro della corda. Ma se il sistema è simmetrico ed entrambi i bambini si comportano allo stesso modo, poi la corda si muove solo su e giù. Il massimo dell'onda rimane sempre nello stesso punto. Non vediamo alcun movimento dell'onda a sinistra oa destra, questa si chiama onda stazionaria." Ma se la simmetria è rotta perché, Per esempio, uno dei bambini si muove all'indietro, la situazione è diversa, allora la dinamica della fune cambia e la posizione massima dell'oscillazione si sposta.

Tali interruzioni di simmetria possono verificarsi anche nel materiale. Gli elettroni lasciano il loro posto e iniziano a muoversi, lasciando un "buco" dietro. Tali coppie elettrone-lacuna disturbano la simmetria del materiale, e così gli elettroni possono esibire improvvisamente le proprietà di due stati differenti simultaneamente. In questo modo, due vantaggi possono essere combinati:da un lato, esiste un gran numero di tali elettroni, e d'altra parte, la loro probabilità di raggiungere il rivelatore è sufficientemente alta. In un sistema perfettamente simmetrico, solo l'uno o l'altro sarebbe possibile. Secondo la meccanica quantistica, possono fare entrambe le cose contemporaneamente, perché la rifrazione della simmetria fa sì che i due stati si "uniscano" (ibridando).

"In un senso, è un lavoro di squadra tra gli elettroni riflessi avanti e indietro tra due strati del materiale e gli elettroni che rompono la simmetria, " dice il Prof. Florian Libisch dell'Istituto di Fisica Teorica. "Solo quando li guardi insieme puoi spiegare che il materiale emette elettroni esattamente di questa energia di 3,7 elettronvolt."

I materiali di carbonio come il tipo di grafite analizzato in questo lavoro di ricerca svolgono oggi un ruolo importante, ad esempio il materiale 2-D grafene, ma anche nanotubi di carbonio di piccolissimo diametro, che hanno anche notevoli proprietà. "L'effetto dovrebbe verificarsi in materiali molto diversi, ovunque strati sottili siano tenuti insieme da deboli forze di Van der Waals, " dice Wolfgang Werner. "In tutti questi materiali, questo tipo molto speciale di emissione di elettroni, che ora possiamo spiegare per la prima volta, dovrebbe svolgere un ruolo importante».