C'est quelque chose d'assez courant en physique :les électrons laissent un certain matériau, s'envoler et sont ensuite mesurés. Certains matériaux émettent des électrons lorsqu'ils sont irradiés par la lumière. Ces électrons sont appelés photoélectrons. Dans la recherche sur les matériaux, les électrons dits 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 internes d'électrons. 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 les matériaux carbonés tels que le graphite. Ce type d'émission d'électrons est connu depuis environ 50 ans, mais sa cause n'était pas claire auparavant.

Des électrons étranges sans explication

« De nombreux chercheurs se sont déjà posé la question, " déclare le professeur Wolfgang Werner de l'Institut de physique appliquée. " Il existe des matériaux, qui se composent de couches atomiques qui ne sont maintenues ensemble que par de faibles forces de Van der Waals, par exemple le graphite. Et on a découvert que ce type de graphite émet des électrons très spécifiques qui ont tous exactement la même énergie, à savoir 3,7 électrons-volts."

Les chercheurs ont été incapables de trouver un mécanisme physique pour expliquer cette émission d'électrons. Mais au moins l'énergie mesurée a donné une indication de 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 se réfléchit en continu entre les deux couches jusqu'à ce qu'à un moment donné, il pénètre dans la couche et s'échappe vers l'extérieur."

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 atteindre le détecteur, " dit le Dr Alessandra Bellissimo, l'un des auteurs de la présente publication. « Dans le langage de la physique quantique, on dirait :la probabilité de transition est tout simplement trop faible. »

Cordes à sauter et symétrie

Pour changer cela, la symétrie interne des états électroniques doit être brisée. "Vous pouvez imaginer cela comme un saut à la corde, " dit Wolfgang Werner. " Deux enfants tiennent une longue corde et déplacent les extrémités. Réellement, 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, puis la corde se déplace de haut en bas. Le maximum de vague reste toujours au même endroit. Nous ne voyons aucun mouvement de vague à gauche ou à droite, c'est ce qu'on appelle une onde stationnaire." Mais si la symétrie est brisée 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 se mettent en mouvement, laissant un "trou" derrière. De telles paires électron-trou perturbent la symétrie du matériau, et ainsi les électrons peuvent soudainement présenter simultanément les propriétés de deux états différents. De cette façon, 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, parce que la réfraction de symétrie fait "fusionner" (hybrider) les deux états.

« Dans un sens, c'est un travail d'équipe entre les électrons réfléchis dans les deux sens entre deux couches du matériau et les électrons qui brisent la symétrie, ", explique le professeur Florian Libisch de l'Institut de physique théorique. "Ce n'est qu'en les regardant ensemble que vous pouvez expliquer que le matériau émet des électrons d'exactement 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 graphène matériel 2-D, mais aussi des nanotubes de carbone de petit diamètre, qui ont aussi 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, " dit Wolfgang Werner. " Dans tous ces matériaux, ce type très particulier d'émission d'électrons, que nous pouvons maintenant expliquer pour la première fois, devrait jouer un rôle important."