Imagine um sapo dentro de uma caixa com uma abertura em um dos lados. Se ele conseguirá escapar depende de quanta energia possui: se conseguir pular alto o suficiente, teoricamente, poderá alcançar a abertura. Mas o sucesso requer mais do que apenas um salto em altura – também requer passar por essa abertura.
Os elétrons dentro dos sólidos se comportam de maneira surpreendentemente semelhante. Quando ganham energia adicional (por exemplo, quando o elemento 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 diferentes grupos da TU Viena encontraram agora a solução. Assim como um sapo deve encontrar a abertura correta, um elétron também deve localizar uma “saída” específica, conhecida como “estado de porta”.
Uma configuração simples, resultados inesperados
“Sólidos dos quais elétrons relativamente lentos desempenham um papel fundamental na física. A partir da energia desses elétrons, podemos extrair informações valiosas sobre o material”, explica Anna Niggs, do Instituto de Física Aplicada da TU Viena, primeira autora do estudo.
Dentro de qualquer elemento, podem existir elétrons com diferentes energias. Enquanto estiverem abaixo de um certo limite de potência, eles ficarão presos. Quando o elemento é fornecido com excesso de energia, alguns elétrons podem ultrapassar esse limite.
“Podemos 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 nuclear e de plasma da TU Wien. “Se isso fosse verdade, as coisas seriam simples: apenas olharíamos para as energias dos elétrons dentro do material e adivinharíamos diretamente quais elétrons deveriam aparecer do lado de fora. Mas, como se vê, isso não acontece.”
Os modelos teóricos e os resultados experimentais muitas vezes não coincidem. Esta discrepância foi particularmente intrigante porque “materiais diferentes – como estruturas de grafeno com camadas diferentes – podem ter níveis de energia electrónica muito semelhantes, mas mostrar um comportamento completamente diferente nos electrões emitidos,” disse Anna Niegas.
Não há saída sem porta
A principal descoberta é que a energia por si só não pode determinar se um elétron escapou. Existem estados quânticos acima dos limites de energia que ainda não conseguem ser retirados da matéria, ausentes 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 está espacialmente localizado onde está o sólido”, diz Richard Wilhelm. O elétron se comporta como um 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 Liebisch, do Instituto de Física Teórica. “Esses estados combinam fortemente com aqueles que realmente saem 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, mostramos que a forma do espectro de elétrons depende não apenas do material, mas também de onde e onde existem tais estados de porta ressonantes”, diz Anna Niegas. Curiosamente, alguns destes estados só aparecem quando mais de cinco camadas de um material são empilhadas. Esse insight oferece novas oportunidades para projetar e aplicar materiais em camadas com precisão, tanto em pesquisa quanto em tecnologia avançada.
