Os elétrons dentro dos sólidos se comportam de maneira surpreendente. 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 uma solução. Assim como o sapo encontra a abertura correta, o elétron deve encontrar uma “saída” específica chamada “posição da porta”.

Um sistema simples, resultados inesperados

“Sólidos que emitem elétrons relativamente lentos desempenham um papel importante na física. A partir das energias desses elétrons, informações valiosas sobre o material podem ser obtidas”, explica Anna Nikas, do Instituto de Física Aplicada da TU Wien, primeira autora do estudo.

Dentro de qualquer material, os elétrons podem ter energias diferentes. Enquanto estiverem abaixo de um certo limite de energia, eles ficarão presos. Quando o material recebe energia adicional, alguns elétrons cruzarão essa fronteira.

“Pode-se supor que todos esses elétrons, uma vez que ganharam energia suficiente, simplesmente deixam o material”, diz o Prof. Richard Wilhelm, chefe do Grupo de Física Nuclear e Plasma da TU Wien. “Se isso fosse verdade, as coisas seriam simples: observaríamos as energias dos elétrons dentro do material e inferiríamos diretamente quais elétrons deveriam aparecer. Mas acontece que isso não acontece.”

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

Não há saída sem porta

A principal descoberta é que a energia por si só não determina se um elétron é ejetado. Existem estados quânticos acima do limiar de energia que ainda não conseguem escapar da matéria, um facto ignorado pelos modelos anteriores. “Do ponto de vista energético, o elétron não está mais ligado ao sólido. Ele tem a energia de um elétron livre, embora ainda esteja posicionado espacialmente onde está o sólido”, diz Richard Wilhelm. O elétron se comporta como um sapo que salta alto o suficiente, mas não consegue encontrar uma saída.

“Os elétrons devem ocupar estados muito específicos – os chamados estados de porta”, explica o professor Florian Liebisch, do Instituto de Física Teórica. “Na verdade, esses estados se acoplam fortemente aos estados existentes do sólido. Todo estado com energia suficiente não é um estado de porta – representa apenas 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 se e onde existem tais condições de limiar ressonante”, diz Anna Nikas. Curiosamente, alguns desses níveis só aparecem quando mais de cinco camadas de um objeto estão empilhadas. Essa visão oferece novas oportunidades para o projeto preciso e a aplicação de materiais em camadas, tanto em pesquisa quanto em tecnologias avançadas.