IT之家 10 月 29 日消息，維也納工業(yè)大學(xué)（TU Wien）科研團(tuán)隊成功解決了一個困擾物理學(xué)界數(shù)十年的問題——電子是如何從固體材料中逸出的？
研究發(fā)現(xiàn)，電子的逃逸不僅取決于能量，還需要找到特定的“出口”——一種被稱為“門道態(tài)”（doorway state）的量子狀態(tài)。相關(guān)成果已于 10 月 15 日發(fā)表在《物理評論快報》上。
能量并非唯一條件
電子從固體中逸出看似簡單：只要獲得足夠的能量，就能克服材料的束縛。但 TU Wien 應(yīng)用物理研究所的 Anna Niggas 指出，這一過程長期以來無法被理論準(zhǔn)確描述。她形象地解釋道，這就像一只青蛙被關(guān)在一個頂部開口的盒子里，“即使它跳得再高，也必須精準(zhǔn)落在開口處才能逃脫”。
研究人員發(fā)現(xiàn)，電子也面臨類似難題。當(dāng)固體受到外界能量（例如被其他電子撞擊）時，一部分電子獲得足夠能量達(dá)到逸出閾值。然而，實驗結(jié)果與理論預(yù)測卻長期不符。正如 TU Wien 原子與等離子體物理組負(fù)責(zé)人 Richard Wilhelm 教授所說：“如果僅憑能量就能決定哪些電子會逸出，理論將非常簡單，但事實并非如此?！?/p>
例如，不同層數(shù)的石墨烯結(jié)構(gòu)雖然擁有相似的電子能級，卻表現(xiàn)出截然不同的電子發(fā)射行為，這一現(xiàn)象長期讓研究者感到困惑。
“門道態(tài)”：電子逃逸的關(guān)鍵通路
團(tuán)隊的核心發(fā)現(xiàn)是：能量充足的電子并不一定能離開材料，因為并非所有高能量量子態(tài)都與外部世界相連。Wilhelm 解釋說：“從能量角度看，這些電子已具備自由電子的能量，但它們?nèi)员豢臻g限制在固體內(nèi)部?！边@就像那只跳得足夠高卻沒能對準(zhǔn)出口的青蛙。
理論物理研究所的 Florian Libisch 教授進(jìn)一步指出：“電子必須占據(jù)特定的量子態(tài)——即‘門道態(tài)’。只有這些態(tài)與能導(dǎo)向外部的通道強(qiáng)烈耦合，才能真正形成‘出口’?！?/p>
Anna Niggas 補(bǔ)充說：“我們首次證明，電子能譜的形狀不僅取決于材料本身，還與這些共振門道態(tài)的存在與分布密切相關(guān)。”研究顯示，當(dāng)材料堆疊超過五層時，這些門道態(tài)才會出現(xiàn)，為多層材料的設(shè)計與應(yīng)用提供了新的理論依據(jù)。
▲ 左二為中國學(xué)者 M. Hao，圖源：TU Wien
這項發(fā)現(xiàn)不僅完善了對電子發(fā)射機(jī)制的基本理解，也為未來在納米結(jié)構(gòu)、電子顯微鏡以及表面科學(xué)中的精密測量提供了新的思路。
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