Фізики з Віденського технічного університету (TU Wien) розв’язали загадку, яка понад десять років ставила під сумнів розуміння того, як саме електрони залишають тверді тіла — виявивши, що для цього потрібно не лише достатньо енергії, а й наявність спеціальних «квантових дверей».
Команда під керівництвом професора Ріхарда Вільгельма з Інституту атомної та плазмової фізики TU Wien показала, що звільнення електрона із матеріалу не визначається виключно його енергією. Навіть якщо електрон перевищує енергетичний поріг, який теоретично дозволяє йому «втекти», він може залишатися замкненим у матеріалі — немов жаба, яка стрибає достатньо високо, але не знаходить отвору в кришці коробки.
«Ми звикли вважати, що електрони з достатньою енергією автоматично залишають матеріал, — пояснює професор Вільгельм. — Але це не так. Вони можуть мати енергію вільного електрона і все одно залишатися всередині твердого тіла».
В основі відкриття — поняття «станів-дверей» (doorway states). Це специфічні квантові стани, що з’єднують внутрішні енергетичні рівні електронів із простором за межами матеріалу. Лише ті електрони, що потрапляють у такі стани, здатні реально покинути поверхню. «Не кожен електрон із потрібною енергією знайде ці двері, — пояснює професор Флоріан Лібіш з Інституту теоретичної фізики. — Лише ті, які збігаються з резонансними станами, можуть “вийти назовні”».
Дослідниця Анна Ніггас, перша авторка статті, додає, що саме від наявності та розташування цих станів залежить форма спектра електронів, який фіксують експериментально. Цей ефект особливо виражений у шаруватих матеріалах, таких як графен, де поява «дверних» станів спостерігається лише при певній кількості шарів. «Ми показали, що спектр випромінюваних електронів визначається не лише властивостями матеріалу, а й тим, чи має він такі резонансні стани і де саме вони виникають», — підкреслює Ніггас.
Це відкриття пояснює, чому матеріали з майже однаковими енергетичними рівнями електронів, як різношарові структури графену, можуть демонструвати радикально різну поведінку при випромінюванні електронів. Теоретичні моделі, які не враховували «квантові двері», раніше не збігалися з експериментами — тепер ця розбіжність зникла.
За словами Вільгельма, «знайдена відсутня частина пазлу» має значення не лише для фундаментальної квантової фізики, а й для прикладних галузей: від розробки електронних детекторів до технологій із контролем випромінювання з поверхонь. Усвідомлення того, як і де формуються «відкриті стани», може дозволити навмисно проєктувати матеріали, що ефективніше випускають або затримують електрони.
Таким чином, дослідження TU Wien не лише розв’язує давню теоретичну суперечність, а й змінює саме розуміння свободи електрона: виявляється, що у квантовому світі вона залежить не лише від енергії, а й від наявності невидимих шляхів — «дверей», через які матерія може відпустити свої частинки.