Es algo bastante común en física:los electrones dejan cierto material, volar y luego se miden. Algunos materiales emiten electrones cuando se irradian con luz. Estos electrones se denominan fotoelectrones. En la investigación de materiales, Los llamados electrones Auger también desempeñan un papel importante:pueden ser emitidos por átomos si primero se elimina un electrón de una de las capas internas de electrones. Pero ahora los científicos de TU Wien (Viena) han logrado explicar un tipo completamente diferente de emisión de electrones que puede ocurrir en materiales de carbono como el grafito. Este tipo de emisión de electrones se conoce desde hace unos 50 años, pero su causa no estaba clara anteriormente.

Electrones extraños sin explicación

"Muchos investigadores ya se han preguntado sobre esto, "dice el profesor Wolfgang Werner del Instituto de Física Aplicada." Hay materiales, que consisten en capas atómicas que se mantienen unidas solo por fuerzas débiles de Van der Waals, por ejemplo grafito. Y se descubrió que este tipo de grafito emite electrones muy específicos que tienen todos exactamente la misma energía, a saber, 3,7 electronvoltios ".

Los investigadores no han podido encontrar un mecanismo físico para explicar esta emisión de electrones. Pero al menos la energía medida daba una indicación de dónde mirar:"Si estas capas atómicamente delgadas se encuentran una encima de la otra, un cierto estado de electrones puede formarse en el medio, ", dice Wolfgang Werner." Puedes imaginarlo como un electrón que se refleja continuamente hacia adelante y hacia atrás entre las dos capas hasta que en algún punto penetra en la capa y escapa al exterior ".

La energía de estos estados en realidad encaja bien con los datos observados, por lo que la gente asumió que hay alguna conexión, pero eso por sí solo no fue una explicación. "Los electrones en estos estados no deberían llegar al detector, "dice la Dra. Alessandra Bellissimo, uno de los autores de la publicación actual. "En el lenguaje de la física cuántica, uno diría:la probabilidad de transición es demasiado baja".

Saltando cordones y simetría

Para cambiar esto la simetría interna de los estados de los electrones debe romperse. "Puedes imaginar esto como saltar la cuerda, ", dice Wolfgang Werner." Dos niños sostienen una cuerda larga y mueven los extremos. Realmente, ambos crean una onda que normalmente se propagaría de un lado de la cuerda al otro. Pero si el sistema es simétrico y ambos niños se comportan de la misma manera, luego la cuerda simplemente se mueve hacia arriba y hacia abajo. El máximo de olas siempre permanece en el mismo lugar. No vemos ningún movimiento de onda hacia la izquierda o hacia la derecha, esto se llama onda estacionaria ". Pero si la simetría se rompe porque, por ejemplo, uno de los niños se mueve hacia atrás, la situación es diferente, entonces la dinámica de la cuerda cambia y la posición máxima de la oscilación se mueve.

Tales rupturas de simetría también pueden ocurrir en el material. Los electrones abandonan su lugar y comienzan a moverse, dejando un "agujero" atrás. Tales pares de electrones y huecos perturban la simetría del material, y así los electrones pueden exhibir repentinamente las propiedades de dos estados diferentes simultáneamente. De este modo, se pueden combinar dos ventajas:Por un lado, hay una gran cantidad de estos electrones, y por otro lado, su probabilidad de alcanzar el detector es suficientemente alta. En un sistema perfectamente simétrico, sólo uno u otro sería posible. Según la mecánica cuántica, pueden hacer ambas cosas al mismo tiempo, porque la refracción de la simetría hace que los dos estados se "fusionen" (hibriden).

"En un sentido, es un trabajo en equipo entre los electrones reflejados hacia adelante y hacia atrás entre dos capas del material y los electrones que rompen la simetría, ", dice el profesor Florian Libisch, del Instituto de Física Teórica. Sólo cuando se miran juntos, se puede explicar que el material emite electrones de exactamente esta energía de 3,7 electronvoltios".

Los materiales de carbono como el tipo de grafito analizado en este trabajo de investigación juegan un papel importante en la actualidad, por ejemplo, el grafeno material 2-D, pero también nanotubos de carbono de pequeño diámetro, que también tienen propiedades notables. "El efecto debería producirse en materiales muy diferentes, dondequiera que las capas delgadas se mantengan unidas por fuerzas débiles de Van der Waals, ", dice Wolfgang Werner." En todos estos materiales, este tipo muy especial de emisión de electrones, que ahora podemos explicar por primera vez, debería jugar un papel importante ".