물리학자들은 전자가 탈출할 수 있는 숨겨진 “출입구”를 발견했습니다

고체 물질 내부의 전자는 놀라울 정도로 유사한 방식으로 행동합니다. 추가 에너지를 얻으면(예: 물질이 다른 전자와 충돌할 때) 때때로 고체에서 분리될 수 있습니다. 이 프로세스는 수십 년 동안 알려져 왔으며 많은 기술의 기초를 형성합니다. 그러나 최근까지 과학자들은 이를 정확하게 계산할 수 없었습니다. 이제 TU Wien의 여러 그룹의 연구원들이 해결책을 찾았습니다. 개구리가 올바른 입구를 찾아야 하는 것처럼 전자도 “출입구 상태”라고 알려진 특정 “출구”를 찾아야 합니다.

간단한 설정, 예상치 못한 결과

“상대적으로 느린 전자가 나오는 고체는 물리학에서 중요한 역할을 합니다. 이러한 전자의 에너지로부터 우리는 물질에 대한 귀중한 정보를 추출할 수 있습니다”라고 연구의 제1저자이자 TU Wien 응용 물리학 연구소의 Anna Niggas는 설명합니다.

모든 물질 내부에는 다양한 에너지를 지닌 전자가 존재할 수 있습니다. 특정 에너지 한계 이하로 유지되는 한 그들은 갇혀 있는 상태로 유지됩니다. 물질에 추가 에너지가 공급되면 일부 전자가 이 경계를 넘어설 수 있습니다.

TU Wien의 원자 및 플라즈마 물리학 그룹 책임자인 Richard Wilhelm 교수는 “이 모든 전자가 충분한 에너지를 가지면 단순히 물질을 떠난다고 가정할 수 있습니다.”라고 말했습니다. “그게 사실이라면 상황은 간단할 것입니다. 우리는 물질 내부의 전자 에너지를 보고 어떤 전자가 외부에 나타나야 하는지 직접 추론할 것입니다. 그러나 밝혀진 바에 따르면 그런 일은 일어나지 않습니다.”

이론적인 모델과 실험적인 결과는 종종 일치하지 않았습니다. 이러한 불일치는 특히 “다양한 양의 층을 가진 그래핀 구조와 같은 서로 다른 재료가 매우 유사한 전자 에너지 수준을 가질 수 있지만 방출된 전자에서 완전히 다른 동작을 나타낼 수 있기 때문에” Anna Niggas는 말했습니다.

출입구 없이는 출구가 없습니다

중요한 발견은 에너지만으로는 전자의 탈출 여부를 결정할 수 없다는 것입니다. 여전히 물질 밖으로 나오지 못하는 에너지 임계값 이상의 양자 상태가 있는데, 이는 이전 모델에서는 누락된 사실입니다. “에너지적인 관점에서 볼 때, 전자는 더 이상 고체에 묶여 있지 않습니다. 전자는 자유 전자의 에너지를 갖고 있지만 여전히 고체가 있는 곳에 공간적으로 남아 있습니다”라고 Richard Wilhelm은 말합니다. 전자는 충분히 높이 뛰어오르지만 출구를 찾지 못하는 개구리처럼 행동합니다.

이론 물리학 연구소의 Florian Libisch 교수는 “전자는 소위 출입구 상태라고 하는 매우 특정한 상태를 차지해야 합니다.”라고 설명합니다. “이러한 상태는 실제로 고체 밖으로 이어지는 상태와 강력하게 결합됩니다. 충분한 에너지를 가진 모든 상태가 그러한 출입구 상태는 아닙니다. 단지 외부로 ‘열린 문’을 나타내는 상태일 뿐입니다.”

Anna Niggas는 “처음으로 우리는 전자 스펙트럼의 모양이 물질 자체뿐만 아니라 그러한 공진 출입구 상태가 존재하는지 여부와 위치에 결정적으로 의존한다는 것을 보여주었습니다.”라고 말했습니다. 흥미롭게도 이러한 상태 중 일부는 재료의 5개 이상의 레이어가 쌓일 때만 나타납니다. 이러한 통찰력은 연구 및 첨단 기술 모두에서 적층형 재료를 정확하게 설계하고 적용할 수 있는 새로운 기회를 제공합니다.