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Was passiert, wenn Elektronen ein festes Material verlassen? Dieses scheinbar einfache Phänomen konnte bisher nicht korrekt berechnet werden. Nun wurde der fehlende Puzzlestein gefunden.
In einer Schachtel sitzt ein Frosch. In einer bestimmten Höhe hat die Schachtel ein großes Loch. Kann der Frosch entkommen? Das hängt davon ab, wie viel Energie er hat: Wenn er ausreichend viel Energie hat, um die nötige Höhe zu erreichen, dann kann er prinzipiell hinausspringen. Ob es ihm tatsächlich gelingt, ist aber eine andere Frage. Die Höhe des Sprungs alleine genügt noch nicht – der Sprung muss auch tatsächlich aus der Schachtel hinausführen.
Ganz ähnlich verhält es sich mit Elektronen, die sich in einem Festkörper befinden. Wenn man ihnen ein bisschen Energie zuführt, etwa indem man das Material von außen mit zusätzlichen Elektronen beschießt, dann können sie es schaffen, das Material zu verlassen. Dieser Effekt ist seit vielen Jahren wohlbekannt und wird in vielen technischen Bereichen genutzt. Doch erstaunlicherweise war es bisher nicht möglich, das Verhalten der Elektronen genau zu berechnen. Eine Kollaboration mehrerer Forschungsgruppen der TU Wien konnte dieses Rätsel jetzt lösen: Wie beim Frosch kommt es nicht nur auf die Energie an – das Elektron muss den richtigen „Ausgang“ finden, einen sogenannten „Türzustand“.
Einfache Situation, verwirrende Ergebnisse
„Feste Materialien, aus denen relativ langsame Elektronen austreten, spielen in der Physik eine wichtige Rolle. Man kann aus der Energie dieser Elektronen wertvolle Information über das Material ableiten“, sagt Anna Niggas vom Institut für Angewandte Physik der TU Wien, die Erstautorin der aktuellen Publikation.
Die Elektronen im Material können unterschiedlich viel Energie haben. Solange sie eine bestimmte Energieschwelle nicht überschreiten, müssen sie zwangsläufig im Material gefangen bleiben. Wenn man das Material mit zusätzlicher Energie versorgt, überschreiten manche Elektronen diese Energieschwelle.
„Nun könnte man glauben, dass all diese Elektronen, sobald sie genug Energie haben, das Material verlassen“, sagt Prof. Richard Wilhelm, Leiter der Forschungsgruppe für Atom- und Plasmaphysik an der TU Wien. „Dann wäre die Sache einfach: Man müsste nur ansehen, welche Energie die Elektronen im Material haben – und daraus könnte man dann direkt ablesen, welche Elektronen man außerhalb des Materials zu erwarten hat. Aber wie sich gezeigt hat, stimmt das nicht.“
Rechenergebnisse und Beobachtung schienen bei solchen Experimenten nicht übereinzustimmen. Besonders verwirrend: „Verschiedene Materialien, etwa Graphenstrukturen mit einer unterschiedlichen Anzahl von Schichten, haben eigentlich dieselben Elektronen-Energien, zeigen aber völlig unterschiedliche Ergebnisse, wenn man die Elektronen untersucht, die aus den Materialien austreten“, erklärt Anna Niggas.
Ohne Türzustand kein Entkommen
Die entscheidende Erkenntnis: Es kommt nicht nur auf die Energie an. Es gibt Quantenzustände, die zwar über der nötigen Energieschwelle liegen, aber trotzdem nicht aus dem Material herausführen – diese Zustände hatte man in bisherige Überlegungen nicht einbezogen. „Energetisch betrachtet ist das Elektron in diesem Fall gewissermaßen nicht mehr Teil des Festkörpers. Es hat eine Energie wie ein freies Elektron, aber es befindet sich räumlich immer noch dort, wo eben auch der Festkörper ist“, sagt Richard Wilhelm. Das Elektron benimmt sich gewissermaßen wie der Frosch, der zwar ausreichend hoch hüpft, aber den Ausgang nicht findet.
„Die Elektronen müssen ganz bestimmte Zustände annehmen, sogenannte doorway states“, erklärt Prof. Florian Libisch vom Institut für Theoretische Physik. „Sie koppeln stark an Zustände, die tatsächlich aus dem Festkörper hinausführen. Nicht jeder Zustand mit prinzipiell ausreichender Energie ist ein solcher doorway-state, also eine offene Tür aus dem Material hinaus.“
„Wir konnten erstmals zeigen, dass die Form des Elektronenspektrums nicht nur vom Material selbst abhängt, sondern vor allem davon, ob und wo solche resonanten Türzustände existieren.“, sagt Anna Niggas. Manche dieser Türzustände öffnen sich erst, wenn man mehr als fünf Schichten eines Materials kombiniert. Das eröffnet ganz neue Perspektiven für den gezielten Einsatz von Schichtmaterialien in Technologie und Forschung.
Dr. Anna Niggas
Institut für Angewandte Physik
Technische Universität Wien
+43 1 58801 13433
anna@iap.tuwien.ac.at
A. Niggas et al., Identifying Electronic Doorway States in Secondary Electron Emission from Layered Materials, Phys. Rev. Lett. 135, 166401 (2025). https://link.aps.org/doi/10.1103/qls7-tr4v
Doorway States: Wie entkommt ein Frosch aus einer Box? Er braucht genug Energie und er muss die Öff ...
Source: TU Wien
Copyright: TU Wien
Einige der TUW Autoren der Studie (v.l.n.r): J. Burgdörfer, M. Hao, F. Libisch, F. Blödorn, R. Wilhe ...
Source: TU Wien
Copyright: TU Wien
Criteria of this press release:
Journalists, all interested persons
Physics / astronomy
transregional, national
Research results
German
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