La fotoemissione è una proprietà dei metalli e di altri materiali che emettono elettroni quando colpiti dalla luce. L'emissione di elettroni dopo l'assorbimento della luce era già stata spiegata da Albert Einstein. Ma poiché questo effetto è un processo altamente complesso, gli scienziati non sono ancora stati in grado di chiarirne completamente i dettagli. Il prof. Dr. Bernd von Issendorff e il suo team presso l'Istituto di fisica dell'Università di Friburgo sono ora riusciti a rilevare un effetto quantistico precedentemente sconosciuto nelle distribuzioni angolari dei fotoelettroni da ammassi di metalli criogenici selezionati in massa. Le distribuzioni angolari assomigliano a quelle delle particelle classiche, un comportamento che è sorprendentemente spiegabile dalla forte interazione elettrone-elettrone in questi sistemi a molti elettroni. I ricercatori hanno pubblicato questa scoperta nell'attuale numero di Lettere di revisione fisica .

Elettroni con momenti angolari ben definiti

Gli ammassi metallici possono essere visti come sistemi quantistici costituiti da una quantità numerabile di particelle quantistiche, in questo caso elettroni, in un semplice potenziale di scatola sferica. Gli elettroni in semplici ammassi metallici possiedono momenti angolari relativamente ben definiti, sebbene un grappolo non sia mai perfettamente rotondo. Ciò è dovuto alla schermatura virtualmente ottimale dei nuclei atomici da parte del sistema di elettroni. Quindi, un singolo elettrone sperimenta solo un'interazione media che è notevolmente vicina all'interazione con un potenziale di scatola sferica. Come conseguenza, gli elettroni assumono praticamente autostati di momento angolare, cioè., ruotare con un momento angolare ben definito. Inoltre, la fotoemissione dell'elettrone avviene solo sulla superficie dell'ammasso, perché solo lì il momento radiale richiesto può essere trasferito all'elettrone.

L'emissione di elettroni avviene solo in superficie

I ricercatori si aspettavano che il momento dell'elettrone sarebbe stato preservato parallelamente alla superficie durante la fotoemissione, poiché non ci sono forze che agiscono in questa direzione. "Poiché un elettrone con un momento angolare definito sulla superficie ha un momento parallelo ad esso definito, si potrebbe supporre, " spiega von Issendorff, "che la distribuzione angolare degli elettroni corrisponde a quella delle palline semplicemente rilasciate dai bambini da una giostra rotante. Non volano radialmente verso l'esterno ma tangenzialmente al percorso circolare." I ricercatori di Friburgo hanno osservato proprio questo effetto sugli ammassi metallici, verificando così che gli elettroni effettivamente possono essere visti come particelle rotanti in un potenziale di scatola e che l'emissione di elettroni avviene effettivamente solo in superficie. La sorpresa, però, dice von Issendorff, è che questa osservazione è completamente in contraddizione con le simulazioni della meccanica quantistica, che predicono sempre un comportamento molto più complesso dominato da inferenze e risonanze nel processo di ionizzazione.

Descrizione matematica delle funzioni angolari

Però, i ricercatori di Friburgo sono stati in grado di risolvere questa contraddizione:sulla base del loro lavoro precedente e nelle discussioni con i ricercatori dell'Istituto Max Planck per la fisica dei sistemi complessi a Dresda, hanno derivato una descrizione matematica completa delle funzioni angolari che corrisponde molto bene all'esperimento. L'assunto centrale di questa nuova descrizione è che l'ammasso è completamente non trasparente per gli elettroni:gli elettroni sono fortemente decelerati all'interno dell'ammasso. Questo porta ad una soppressione degli effetti di interferenza e risonanza e quindi ad un comportamento quasi classico. Era già noto che la decoerenza sopprime le interferenze. Cosa c'è di nuovo, però, è che la forte dissipazione non porta ad un completo dilavamento delle distribuzioni angolari degli elettroni, ma al contrario, produce distribuzioni molto strutturate e quasi classiche.

Comportamento come una particella classica

"Siamo abituati agli effetti quantistici che predominano su piccola scala, considerando che una descrizione classica è spesso una buona approssimazione per effetti su scala più ampia, " spiega von Issendorff. "Qui, il comportamento classico si manifesta anche su piccola scala per dissipazione. La complicata interazione tra una moltitudine di elettroni fa sì che uno di questi elettroni si comporti come una particella classica".