Viejo Misterio Resuelto: un "Nuevo Tipo de Electrones"
¿Por qué ciertos materiales emiten electrones con una energía muy específica?
Es algo bastante común en la física: los electrones dejan un cierto material, vuelan y luego son medidos. Algunos materiales emiten electrones, cuando son irradiados por la luz. Estos electrones se llaman entonces "fotoelectrones". En la investigación de materiales, los llamados "electrones de barrena" también juegan un papel importante - pueden ser emitidos por los átomos si un electrón es removido primero de una de las capas internas de electrones. Pero ahora los científicos de la Universidad Técnica de Viena han logrado explicar un tipo completamente diferente de emisión de electrones, que puede ocurrir en materiales de carbono como el grafito. Esta emisión de electrones se conocía desde hace unos 50 años, pero su causa aún no estaba clara.
El equipo del laboratorio: Florian Libisch, Philipp Ziegler, Wolfgang Werner y Alessandra Bellissimo (de izquierda a derecha)
TU Wien
Electrones extraños sin explicación
"Muchos investigadores ya se han preguntado sobre esto", dice el Prof. Wolfgang Werner del Instituto de Física Aplicada. "Hay materiales que consisten en capas atómicas que se mantienen unidas sólo por las débiles fuerzas de Van der Waals, por ejemplo el grafito. Y se descubrió que este tipo de grafito emite electrones muy específicos, que tienen todos exactamente la misma energía, a saber, 3,7 voltios de electrones".
Ningún mecanismo físico conocido podría explicar esta emisión de electrones. Pero al menos la energía medida daba una indicación de dónde mirar: "Si estas capas atómicamente finas se encuentran una encima de la otra, un cierto estado de los electrones puede formarse entre ellas", dice Wolfgang Werner. "Puedes imaginarlo como un electrón que se refleja continuamente de un lado a otro entre las dos capas hasta que en algún momento penetra en la capa y escapa al exterior".
La energía de estos estados en realidad encaja bien con los datos observados - así que la gente asumió que hay alguna conexión, pero eso por sí solo no era una explicación. "Los electrones en estos estados no deberían llegar al detector", dice la Dra. Alessandra Bellissimo, una de las autoras de la presente publicación. "En el lenguaje de la física cuántica se diría: La probabilidad de transición es demasiado baja".
Salto de cordones y simetría
Para cambiar esto, la simetría interna de los estados de los electrones debe romperse. "Puedes imaginar esto como un salto de cuerda", dice Wolfgang Werner. "Dos niños sostienen una larga cuerda y mueven los puntos finales. En realidad, ambos crean una onda que normalmente se propagaría de un lado de la cuerda al otro. Pero si el sistema es simétrico y ambos niños se comportan de la misma manera, entonces la cuerda sólo se mueve hacia arriba y hacia abajo. El máximo de la onda siempre permanece en el mismo lugar. No vemos ningún movimiento de la onda a la izquierda o a la derecha, esto se llama una onda estacionaria". Pero si la simetría se rompe porque, por ejemplo, uno de los niños se mueve hacia atrás, la situación es diferente - entonces la dinámica de la cuerda cambia y la posición máxima de la oscilación se mueve.
Tales rupturas de simetría también pueden ocurrir en el material. Los electrones dejan su lugar y comienzan a moverse, dejando un "agujero" detrás. Tales pares electrón-agujero perturban la simetría del material, y por lo tanto puede suceder que los electrones repentinamente tengan las propiedades de dos estados diferentes simultáneamente. De esta manera, se pueden combinar dos ventajas: Por un lado, hay un gran número de tales electrones, y por otro lado, su probabilidad de llegar al detector es suficientemente alta. En un sistema perfectamente simétrico, sólo uno u otro sería posible. Según la mecánica cuántica, pueden hacer ambas cosas al mismo tiempo, porque la refracción de simetría hace que los dos estados se "fusionen" (se hibriden).
"En cierto sentido, es un trabajo en equipo entre los electrones reflejados de ida y vuelta entre dos capas del material y los electrones que rompen la simetría", dice el Prof. Florian Libisch del Instituto de Física Teórica. "Sólo cuando los miras juntos puedes explicar que el material emite electrones de exactamente esta energía de 3,7 voltios de electrones".
Los materiales de carbono como el tipo de grafito analizado en este trabajo de investigación juegan un papel importante hoy en día - por ejemplo, el material 2D grafeno, pero también los nanotubos de carbono de diámetro diminuto, que también tienen propiedades notables. "El efecto debería ocurrir en materiales muy diferentes - dondequiera que las finas capas se mantengan unidas por las débiles fuerzas de Van der Waals", dice Wolfgang Werner. "En todos estos materiales, este tipo muy especial de emisión de electrones, que ahora podemos explicar por primera vez, debería jugar un papel importante".
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