Imaginez une grenouille dans une boîte avec une ouverture à mi-hauteur sur un côté. Sa capacité à s’échapper dépend de la quantité d’énergie dont elle dispose : s’il parvient à sauter suffisamment haut, il pourrait, en théorie, atteindre l’ouverture. Mais le succès nécessite plus qu’un simple saut en hauteur : il doit également passer par cette ouverture.
Les électrons à l’intérieur des matériaux solides se comportent d’une manière étonnamment similaire. Lorsqu’ils gagnent de l’énergie supplémentaire (par exemple lorsque le matériau est frappé par d’autres électrons), ils peuvent parfois se libérer du solide. Ce processus est connu depuis des décennies et constitue la base de nombreuses technologies. Cependant, jusqu’à récemment, les scientifiques étaient incapables de le calculer avec précision. Des chercheurs de plusieurs groupes de la TU Wien ont désormais trouvé la solution. Tout comme la grenouille doit trouver la bonne ouverture, un électron doit également localiser une « sortie » spécifique, appelée « état de porte ».
Une configuration simple, des résultats inattendus
“Les solides d’où émergent des électrons relativement lents jouent un rôle clé en physique. À partir des énergies de ces électrons, nous pouvons extraire des informations précieuses sur le matériau”, explique Anna Niggas de l’Institut de physique appliquée de la TU Wien, première auteure de l’étude.
À l’intérieur de n’importe quel matériau, les électrons peuvent exister avec toute une gamme d’énergies. Tant qu’ils restent en dessous d’une certaine limite énergétique, ils restent piégés. Lorsque le matériau reçoit une énergie supplémentaire, certains électrons peuvent dépasser cette limite.
“On pourrait supposer que tous ces électrons, une fois qu’ils ont suffisamment d’énergie, quittent simplement le matériau”, explique le professeur Richard Wilhelm, chef du groupe de physique atomique et des plasmas à la TU Wien. “Si cela était vrai, les choses seraient simples : nous examinerions simplement les énergies des électrons à l’intérieur du matériau et en déduirions directement quels électrons devraient apparaître à l’extérieur. Mais il s’avère que ce n’est pas ce qui se passe.”
Les modèles théoriques et les résultats expérimentaux ne correspondaient souvent pas. Ce décalage était particulièrement déroutant car « différents matériaux – tels que les structures de graphène avec différentes quantités de couches – peuvent avoir des niveaux d’énergie électronique très similaires, tout en présentant des comportements complètement différents dans les électrons émis », explique Anna Niggas.
Pas de sortie sans porte
La découverte clé est que l’énergie à elle seule ne peut pas déterminer si un électron s’échappe. Il existe des états quantiques au-dessus du seuil d’énergie qui ne parviennent toujours pas à sortir du matériau, un fait absent des modèles précédents. “D’un point de vue énergétique, l’électron n’est plus lié au solide. Il a l’énergie d’un électron libre, mais il reste néanmoins localisé spatialement là où se trouve le solide”, explique Richard Wilhelm. L’électron se comporte comme la grenouille qui saute assez haut mais ne parvient pas à trouver la sortie.
“Les électrons doivent occuper des états très spécifiques, appelés états de porte”, explique le professeur Florian Libisch de l’Institut de physique théorique. “Ces états s’associent fortement à ceux qui mènent réellement à l’extérieur du solide. Tous les états disposant de suffisamment d’énergie ne sont pas de tels états de porte – seuls ceux qui représentent une “porte ouverte” vers l’extérieur.”
“Pour la première fois, nous avons montré que la forme du spectre électronique dépend non seulement du matériau lui-même, mais surtout de l’existence et de l’endroit où de tels états de porte résonnants existent”, explique Anna Niggas. Il est intéressant de noter que certains de ces états n’apparaissent que lorsque plus de cinq couches d’un matériau sont empilées. Cette vision offre de nouvelles opportunités pour concevoir et appliquer avec précision des matériaux en couches dans la recherche et les technologies avancées.