La photoémission est une propriété des métaux et autres matériaux qui émettent des électrons lorsqu'ils sont frappés par la lumière. L'émission d'électrons après absorption lumineuse a déjà été expliquée par Albert Einstein. Mais comme cet effet est un processus très complexe, les scientifiques n'ont toujours pas été en mesure d'élucider pleinement ses détails. Le professeur Bernd von Issendorff et son équipe de l'Institut de physique de l'Université de Fribourg ont maintenant réussi à détecter un effet quantique jusque-là inconnu dans les distributions angulaires des photoélectrons à partir d'amas métalliques cryogéniques sélectionnés en masse. Les distributions angulaires ressemblent à celles des particules classiques, un comportement qui s'explique étonnamment par la forte interaction électron-électron dans ces systèmes à plusieurs électrons. Les chercheurs ont publié cette découverte dans le numéro actuel de Lettres d'examen physique .

Des électrons avec des moments angulaires bien définis

Les amas métalliques peuvent être considérés comme des systèmes quantiques constitués d'une quantité dénombrable de particules quantiques - dans ce cas des électrons - dans une simple boîte de potentiel sphérique. Les électrons des amas métalliques simples possèdent des moments angulaires relativement bien définis, bien qu'une grappe ne soit jamais parfaitement ronde. Cela est dû au blindage pratiquement optimal des noyaux atomiques par le système électronique. D'où, un seul électron ne subit qu'une interaction moyenne qui est remarquablement proche de l'interaction avec un potentiel de boîte sphérique. En conséquence, les électrons prennent pratiquement des états propres de moment cinétique, c'est à dire., tourner avec un moment cinétique bien défini. De plus, la photoémission de l'électron se produit uniquement à la surface de l'amas, car c'est seulement là que la quantité de mouvement radiale requise peut être transférée à l'électron.

L'émission d'électrons ne se produit qu'à la surface

Les chercheurs s'attendaient à ce que la quantité de mouvement de l'électron soit conservée parallèlement à la surface pendant la photoémission, car il n'y a pas de forces agissant dans cette direction. "Puisqu'un électron avec un moment angulaire défini à la surface a un moment défini parallèle à lui, on peut supposer, " explique von Issendorff, "que la distribution angulaire des électrons correspond à celle des boules simplement lâchées par les enfants d'un manège en rotation. Ils ne volent pas radialement vers l'extérieur mais tangentiellement à la trajectoire circulaire." Les chercheurs de Fribourg ont observé justement cet effet sur les amas métalliques, vérifiant ainsi que les électrons peuvent bien être vus comme des particules tournant dans une boîte de potentiel et que l'émission d'électrons ne se produit en réalité qu'à la surface. La surprise, cependant, dit von Issendorff, est que cette observation est totalement contradictoire avec les simulations de mécanique quantique, qui prédisent toujours un comportement beaucoup plus complexe dominé par des inférences et des résonances dans le processus d'ionisation.

Description mathématique des fonctions angulaires

Cependant, les chercheurs de Fribourg ont pu résoudre cette contradiction :sur la base de leurs travaux antérieurs et de discussions avec des chercheurs de l'Institut Max Planck pour la physique des systèmes complexes à Dresde, ils en ont tiré une description mathématique complète des fonctions angulaires qui correspond très bien à l'expérience. L'hypothèse centrale de cette nouvelle description est que l'amas est complètement non transparent pour les électrons :les électrons sont fortement décélérés à l'intérieur de l'amas. Cela conduit à une suppression des effets d'interférence et de résonance et donc à un comportement presque classique. On savait déjà que la décohérence supprime les interférences. Ce qui est nouveau, cependant, est que la forte dissipation ne conduit pas à un lavage complet des distributions angulaires des électrons, mais au contraire, produit des distributions très structurées et presque classiques.

Comportement comme une particule classique

"Nous sommes habitués aux effets quantiques prédominant à petite échelle, alors qu'une description classique est souvent une bonne approximation pour les effets à plus grande échelle, " explique von Issendorff. " Ici, le comportement classique apparaît même à petite échelle par dissipation. L'interaction compliquée entre une multitude d'électrons fait en sorte que l'un de ces électrons se comporte comme une particule classique."