Físicos descobrem “portas” ocultas que permitem a fuga de elétrons

Os elétrons dentro de materiais sólidos se comportam de maneira surpreendentemente semelhante. Quando ganham energia extra (por exemplo, quando o material é atingido por outros elétrons), às vezes podem se libertar do sólido. Este processo é conhecido há décadas e constitui a base de muitas tecnologias. No entanto, até recentemente, os cientistas não conseguiam calculá-lo com precisão. Pesquisadores de vários grupos da TU Wien encontraram agora a solução. Assim como o sapo deve encontrar a abertura certa, um elétron também precisa localizar uma “saída” específica, conhecida como “estado de porta”.

Uma configuração simples, resultados inesperados

“Os sólidos dos quais emergem elétrons relativamente lentos desempenham um papel fundamental na física. A partir das energias desses elétrons, podemos extrair informações valiosas sobre o material, “explica Anna Niggas do Instituto de Física Aplicada da TU Wien, a primeira autora do estudo.

Dentro de qualquer material, os elétrons podem existir com uma gama de energias. Enquanto permanecerem abaixo de um certo limite de energia, permanecerão presos. Quando o material recebe energia extra, alguns elétrons podem ultrapassar esse limite.

“Pode-se supor que todos esses elétrons, uma vez que tenham energia suficiente, simplesmente deixem o material”, diz o professor Richard Wilhelm, chefe do grupo de Física Atômica e Plasma da TU Wien. “Se isso fosse verdade, as coisas seriam simples: apenas observaríamos as energias dos elétrons dentro do material e inferiríamos diretamente quais elétrons deveriam aparecer do lado de fora. Mas, ao que parece, não é isso que acontece.”

Os modelos teóricos e as descobertas experimentais muitas vezes não correspondiam. Esta incompatibilidade foi especialmente intrigante porque “materiais diferentes – como estruturas de grafeno com diferentes quantidades de camadas – podem ter níveis de energia electrónica muito semelhantes, mas mostrar comportamentos completamente diferentes nos electrões emitidos”, diz Anna Niggas.

Não há saída sem porta

A principal descoberta é que a energia por si só não pode determinar se um elétron escapa. Existem estados quânticos acima do limiar de energia que ainda não conseguem sair do material, um facto que faltava nos modelos anteriores. “Do ponto de vista energético, o elétron não está mais ligado ao sólido. Ele tem a energia de um elétron livre, mas ainda permanece espacialmente localizado onde está o sólido”, diz Richard Wilhelm. O elétron se comporta como o sapo que salta alto o suficiente, mas não consegue encontrar a saída.

“Os elétrons devem ocupar estados muito específicos – os chamados estados de porta”, explica o professor Florian Libisch, do Instituto de Física Teórica. “Esses estados se acoplam fortemente àqueles que realmente conduzem para fora do sólido. Nem todo estado com energia suficiente é um estado de porta – apenas aqueles que representam uma ‘porta aberta’ para o exterior.”

“Pela primeira vez, mostrámos que a forma do espectro electrónico depende não apenas do material em si, mas crucialmente de se e onde existem tais estados de porta ressonantes,” diz Anna Niggas. Curiosamente, alguns destes estados aparecem apenas quando mais de cinco camadas de um material são empilhadas. Esta visão oferece novas oportunidades para projetar e aplicar materiais em camadas com precisão, tanto em pesquisa quanto em tecnologias avançadas.