Електрони не просто «вилітають» із твердого тіла, щойно отримують достатньо енергії. Нове дослідження показує, що для цього їм потрібні особливі квантові маршрути — так звані стани-двері (doorway states), і багато з них відкриваються лише тоді, коли матеріал має приблизно п’ять шарів.
Робота, проведена у Відні, допомагає пояснити загадкові експериментальні результати, які тривалий час не узгоджувалися з підручниковими передбаченнями. Це відкриття має значення, адже повільні електрони живлять такі інструменти, як сканувальні електронні мікроскопи, і впливають на виробництво мікрочипів.
Енергія електронів і квантові «двері»
«Тверді тіла, з яких виходять порівняно повільні електрони, відіграють ключову роль у фізиці. За енергіями цих електронів ми можемо отримати цінну інформацію про сам матеріал», — пояснила Анна Ніггас, перша авторка роботи з Інституту прикладної фізики Технічного університету Відня (TU Wien).
Суть відкриття можна сформулювати просто. Стан-двері — це квантовий «вихід», який з’єднує електрони всередині твердого тіла зі вільними станами назовні. Саме він вирішує, чи зможе збуджений електрон залишити матеріал.
Ніггас і її колеги показали, чому два матеріали з майже однаковою енергетичною структурою можуть випромінювати зовсім різні потоки електронів. Відсутнім елементом виявився не рівень енергії, а доступ до правильних квантових дверей.
Рівень вакууму — енергія, потрібна, щоб повністю залишити тверде тіло — задає поріг, але навіть електрони, які перевищують цей поріг, можуть залишатися «застряглими», якщо вони не перебувають у стані-двері.
Багатошарові матеріали випускають електрони ефективніше
Команда вивчала однашарову графенову плівку, двошаровий графен і графіт, який складається з багатьох шарів. Класична ознака графіту — різкий «пік X» приблизно на 3,3 електронвольта вище рівня вакууму — відома давно.
Двошаровий графен має інший пік, близько 7,7 електронвольта, а однорівневий шар дає переважно рівний спектр. Щільність станів, тобто кількість дозволених енергій електронів, виглядає схожою у всіх трьох випадках, тому попередні моделі передбачали однакове випромінювання й залишалися спантеличеними.
Стан-двері усувають цю невідповідність. У графіті виникають сильні міжшарові резонанси, які зв’язуються з вільними електронами зовні, посилюючи сигнал на 3,3 електронвольта. У двошаровому графені формується слабша група таких станів біля 7,7 електронвольта, що пояснює його унікальний пік. Одношаровий графен узагалі не має стійких станів-дверей, тому навіть збуджені електрони часто не можуть покинути поверхню.
Як знаходять квантові «двері»
Експерименти використовували метод корельованого детектування, який дозволяє спостерігати одразу за двома електронами. Такий підхід — спектроскопія збігів — дозволяє виявити тонкі резонанси, що губляться при звичайних вимірюваннях.
Цей метод дав змогу пов’язати піки у спектрі випущених електронів із конкретними резонансними станами вище рівня вакууму. Також вдалося показати, що деякі стани-двері з’являються лише тоді, коли шарів стає п’ять або більше. З теоретичного боку команда розрахувала, як стани всередині твердого тіла змішуються з вільними електронними станами зовні. Там, де змішування сильне — двері відчиняються, і емісія різко зростає. Де слабке — електрони можуть мати енергію, але так і залишаються біля поверхні.
Технологічне значення відкриття
Повільні електрони визначають, як виглядають поверхні під мікроскопом, і як накопичуються заряди у космічному обладнанні або прискорювачах частинок. Оглядові роботи показують, що вторинні електрони задають контраст зображень і водночас спричиняють небажані ефекти, наприклад мультипактинґ у резонаторах.
Розуміння станів-дверей дає інженерам новий інструмент. Тепер можна підбирати кількість шарів і порядок укладання так, щоб підсилити емісію для яскравіших зображень або приглушити її, якщо вільні електрони шкодять.
Той самий принцип діє й у нановиробництві, де електронні пучки використовують для осадження чи травлення структур. Якщо матеріал не має станів-дверей на потрібній енергії, якість і точність рисунка можуть погіршитися. Знання про квантові «двері» дозволяє налаштовувати енергію й товщину шарів так, щоб відкрити потрібні «виходи» або навпаки — уникнути їх.
Електрони, «двері» та майбутні напрямки
Результати підказують практичну стратегію для проектування шаруватих матеріалів. Якщо потрібно посилити випромінювання на певній енергії — слід створити міжшарові резонанси, що діють як квантові двері, і перевірити, чи справді вони з’єднуються з вільними станами назовні. Якщо ж необхідні стабільні поверхні, варто обирати комбінації, що таких дверей уникають.
«Вперше ми показали, що форма електронного спектра залежить не лише від самого матеріалу, а й від того, чи існують і де саме знаходяться ці резонансні стани-двері», — зазначила Ніггас.
Це відкриття виходить за межі графену. Будь-який шаруватий матеріал із регульованими відстанями між шарами може мати подібні «двері», а отже, ту ж саму логіку можна застосувати до нітридів, халькогенідів та інших двовимірних матеріалів майбутнього. Дослідження опубліковане в журналі Physical Review Letters.
Джерело: portaltele.com.ua