物理学家发现电子逃逸的“秘密通道”

固体材料内部的电子行为出奇地相似。当它们获得额外能量（例如材料受到其他电子撞击时），有时能挣脱固体的束缚。这一过程已被知晓数十年，也是许多技术的基础。但直到最近，科学家仍无法对其进行精确计算。维也纳工业大学多个研究小组的研究人员现已找到了解决方案。就像青蛙必须找到合适的出口一样，电子也需要找到特定的“出口”，即所谓的“通道态”。

简单装置，意外结果

“能释放出速度相对较慢电子的固体在物理学中起着关键作用。从这些电子的能量中，我们可以提取出有关材料的宝贵信息，”该研究的第一作者、维也纳工业大学应用物理研究所的安娜·尼格斯解释道。

在任何材料内部，电子都能以一系列能量状态存在。只要它们的能量低于某一限度，就会被束缚在材料中。当材料获得额外能量时，一些电子的能量就能超过这一界限。

“人们可能会认为，所有这些电子一旦拥有足够能量，就会直接离开材料，”维也纳工业大学原子与等离子体物理小组负责人理查德·威廉教授说，“如果真是这样，事情就简单了：我们只需观察材料内部电子的能量，就能直接推断出哪些电子会出现在材料外部。但事实证明，情况并非如此。”

理论模型与实验结果往往不相符。这种不匹配尤其令人困惑，因为“不同材料——例如具有不同层数的石墨烯结构——可能具有非常相似的电子能级，但其发射电子的行为却完全不同，”安娜·尼格斯说。

没有通道，无法逃逸

关键发现是，仅凭能量无法决定电子能否逃逸。在能量阈值以上，存在一些仍无法引导电子逃出材料的量子态，而早期模型忽略了这一点。“从能量角度看，电子不再受固体束缚，它具有自由电子的能量，但在空间上仍位于固体所在的位置，”理查德·威廉说。电子的行为就像一只跳得足够高却找不到出口的青蛙。

“电子必须占据非常特定的状态——即所谓的通道态，”理论物理研究所的弗洛里安·利比施教授解释道，“这些状态与那些真正能引导电子逃出固体的状态有很强的耦合作用。并非每个具有足够能量的状态都是通道态——只有那些能通向外部的‘敞开的门’才是。”

“我们首次证明，电子能谱的形状不仅取决于材料本身，还关键取决于这种共振通道态是否存在以及存在于何处，”安娜·尼格斯说。有趣的是，其中一些通道态只有当材料堆叠超过五层时才会出现。这一见解为在研究和先进技术中精确设计和应用层状材料提供了新机会。