Imagina una rana dentro de una caja con una abertura en un lado. Que pueda escapar depende de cuánta energía tenga: si puede saltar lo suficientemente alto, en teoría, podrá alcanzar la abertura. Pero el éxito requiere algo más que un simple salto de altura: también requiere superar esa abertura.
Los electrones dentro de los sólidos se comportan sorprendentemente de manera similar. Cuando ganan energía adicional (por ejemplo, cuando el elemento es golpeado por otros electrones), a veces pueden liberarse del sólido. Este proceso se conoce desde hace décadas y constituye la base de muchas tecnologías. Sin embargo, hasta hace poco los científicos no podían calcularlo con precisión. Investigadores de diferentes grupos de la Universidad Técnica de Viena han encontrado la solución. Así como una rana debe encontrar la abertura correcta, un electrón también debe localizar una “salida” específica, conocida como “estado de puerta”.
Una configuración sencilla, resultados inesperados
“Los sólidos de los cuales electrones relativamente lentos desempeñan un papel clave en la física. De la energía de estos electrones podemos extraer información valiosa sobre el material”, explica Anna Niggs del Instituto de Física Aplicada de la TU Viena, primera autora del estudio.
Dentro de cualquier elemento, pueden existir electrones con diferentes energías. Mientras estén por debajo de cierto límite de potencia, estarán estancados. Cuando al elemento se le suministra un exceso de energía, algunos electrones pueden cruzar este límite.
“Se puede suponer que todos estos electrones, una vez que tienen suficiente energía, simplemente abandonan el material”, dice el profesor Richard Wilhelm, jefe del grupo de física nuclear y del plasma de la Universidad Técnica de Viena. “Si esto fuera cierto, las cosas serían simples: bastaría con mirar las energías de los electrones dentro del material y adivinar directamente qué electrones deberían aparecer afuera. Pero resulta que eso no sucede”.
Los modelos teóricos y los resultados experimentales a menudo no coinciden. Esta discrepancia fue particularmente desconcertante porque “diferentes materiales, como estructuras de grafeno con diferentes capas, pueden tener niveles de energía de electrones muy similares, pero muestran un comportamiento completamente diferente en los electrones emitidos”, dijo Anna Niegas.
No hay salida sin puerta
El hallazgo clave es que la energía por sí sola no puede determinar si un electrón ha escapado. Hay estados cuánticos por encima de los umbrales de energía que aún no se pueden eliminar de la materia, algo que no se encontraba en los modelos anteriores. “Desde el punto de vista energético, el electrón ya no está ligado al sólido. Tiene la energía de un electrón libre, pero sigue estando espacialmente ubicado donde se encuentra el sólido”, afirma Richard Wilhelm. El electrón se comporta como una rana que salta lo suficientemente alto pero no logra encontrar la salida.
“Los electrones deben ocupar estados muy específicos, los llamados estados de entrada”, explica el profesor Florian Liebisch del Instituto de Física Teórica. “Estos estados se combinan fuertemente con aquellos que realmente salen del sólido. No todos los estados con suficiente energía son tales estados de puerta, sólo aquellos que representan una ‘puerta abierta’ al exterior”.
“Por primera vez hemos demostrado que la forma del espectro electrónico depende no sólo del material, sino también de dónde y dónde existen tales estados de puerta resonantes”, dice Anna Niegas. Curiosamente, algunos de estos estados sólo aparecen cuando se apilan más de cinco capas de un material. Esta información brinda nuevas oportunidades para diseñar y aplicar con precisión materiales en capas tanto en investigación como en tecnología avanzada.
