Électrons atomiques

Pourquoi certains matériaux émettent-ils des électrons avec une énergie très spécifique? Cela a été un mystère pendant des décennies – les scientifiques de la TU Wien ont trouvé une réponse.

C’est quelque chose d’assez courant en physique: les électrons quittent un certain matériau, ils s’envolent puis ils sont mesurés. Certains matériaux émettent des électrons lorsqu’ils sont irradiés de lumière. Ces électrons sont alors appelés «photoélectrons». Dans la recherche sur les matériaux, les «électrons Auger» jouent également un rôle important – ils peuvent être émis par des atomes si un électron est d’abord retiré de l’une des couches électroniques internes. Mais maintenant, les scientifiques de la TU Wien (Vienne) ont réussi à expliquer un type complètement différent d’émission d’électrons, qui peut se produire dans des matériaux carbonés tels que le graphite. Cette émission d’électrons était connue depuis environ 50 ans, mais sa cause n’était toujours pas claire.

Des électrons étranges sans explication

«De nombreux chercheurs se sont déjà interrogés à ce sujet», déclare le professeur Wolfgang Werner de l’Institut de physique appliquée. «Il existe des matériaux constitués de couches atomiques maintenues ensemble uniquement par de faibles forces de Van der Waals, par exemple le graphite. Et on a découvert que ce type de graphite émettait des électrons très spécifiques, qui ont tous exactement la même énergie, à savoir 3,7 électrons volts.

Aucun mécanisme physique connu ne pouvait expliquer cette émission d’électrons. Mais au moins, l’énergie mesurée a donné une indication sur l’endroit où chercher: «Si ces couches atomiquement minces se superposent, un certain état électronique peut se former entre les deux», explique Wolfgang Werner. «Vous pouvez l’imaginer comme un électron qui est continuellement réfléchi entre les deux couches jusqu’à ce qu’à un moment donné, il pénètre dans la couche et s’échappe vers l’extérieur.

Nouveau type d'équipe d'électrons

Florian Libisch, Philipp Ziegler, Wolfgang Werner et Alessandra Bellissimo (de gauche à droite). Crédits: TU Wien

L’énergie de ces états correspond en fait bien aux données observées – les gens ont donc supposé qu’il y avait un lien, mais cela seul n’était pas une explication. «Les électrons dans ces états ne devraient pas réellement atteindre le détecteur», déclare le Dr Alessandra Bellissimo, l’une des auteurs de la publication actuelle. «Dans le langage de la physique quantique, on dirait: la probabilité de transition est tout simplement trop faible.»

Sauter les cordons et la symétrie

Pour changer cela, la symétrie interne des états électroniques doit être rompue. «Vous pouvez imaginer cela comme un saut à la corde», déclare Wolfgang Werner. «Deux enfants tiennent une longue corde et déplacent les extrémités. En fait, les deux créent une vague qui se propagerait normalement d’un côté de la corde à l’autre. Mais si le système est symétrique et que les deux enfants se comportent de la même manière, la corde se déplace simplement de haut en bas. Le maximum de vague reste toujours au même endroit. Nous ne voyons aucun mouvement de vague vers la gauche ou la droite, c’est ce qu’on appelle une onde stationnaire. ” Mais si la symétrie est rompue parce que, par exemple, l’un des enfants recule, la situation est différente – alors la dynamique de la corde change et la position maximale de l’oscillation se déplace.

De telles ruptures de symétrie peuvent également se produire dans le matériau. Les électrons quittent leur place et commencent à bouger, laissant un «trou» derrière eux. De telles paires électron-trou perturbent la symétrie du matériau, et il peut donc arriver que les électrons aient soudainement les propriétés de deux états différents simultanément. De cette manière, deux avantages peuvent être combinés: d’une part, il y a un grand nombre de tels électrons, et d’autre part, leur probabilité d’atteindre le détecteur est suffisamment élevée. Dans un système parfaitement symétrique, seul l’un ou l’autre serait possible. Selon la mécanique quantique, ils peuvent faire les deux en même temps, car la réfraction de symétrie provoque la «fusion» (hybridation) des deux états.

«Dans un sens, il s’agit d’un travail d’équipe entre les électrons réfléchis dans les deux sens entre deux couches du matériau et les électrons brisant la symétrie», explique le professeur Florian Libisch de l’Institut de physique théorique. “Ce n’est que lorsque vous les regardez ensemble que vous pouvez expliquer que le matériau émet des électrons exactement de cette énergie de 3,7 électrons volts.”

Les matériaux carbonés tels que le type de graphite analysé dans ce travail de recherche jouent aujourd’hui un rôle majeur – par exemple, le matériau 2D graphène, mais aussi des nanotubes de carbone de petit diamètre, qui ont également des propriétés remarquables. «L’effet devrait se produire dans des matériaux très différents – partout où des couches minces sont maintenues ensemble par de faibles forces de Van der Waals», déclare Wolfgang Werner. «Dans tous ces matériaux, ce type d’émission d’électrons très particulier, que nous pouvons maintenant expliquer pour la première fois, devrait jouer un rôle important.»

Référence: «Émission d’électrons secondaires par rupture de symétrie induite par Plasmon dans le graphite pyrolytique hautement orienté» par Wolfgang S. M. Werner, Vytautas Astašauskas, Philipp Ziegler, Alessandra Bellissimo, Giovanni Stefani, Lukas Linhart et Florian Libisch, 6 novembre 2020, Lettres d’examen physique.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.125.196603