Que se passe-t-il lorsque des électrons quittent un matériau solide ? Ce phénomène apparemment simple a jusqu’à présent échappé à une description théorique précise. Dans une nouvelle étude, les chercheurs ont trouvé la pièce manquante du puzzle.
Imaginez une grenouille assise dans une boîte. La boîte possède une grande ouverture à une certaine hauteur. La grenouille peut-elle s'échapper ? Cela dépend de la quantité d’énergie dont il dispose : s’il peut sauter assez haut, il pourrait en principe s’en sortir. Mais la question de savoir si cela réussit réellement est une autre question. La hauteur du saut à elle seule ne suffit pas : la grenouille doit également sauter par l'ouverture.
Une situation similaire se produit avec les électrons à l’intérieur d’un solide. Lorsqu'on leur donne un peu d'énergie supplémentaire, par exemple en bombardant le matériau avec des électrons supplémentaires, ils peuvent être capables de s'échapper du matériau.
Cet effet est connu depuis de nombreuses années et est largement utilisé en technologie. Mais étonnamment, il n’a jamais été possible de calculer ce processus avec précision.
Une collaboration entre plusieurs groupes de recherche de la TU Wien a désormais résolu ce mystère : tout comme la grenouille, ce n'est pas seulement l'énergie qui compte : l'électron doit également trouver la bonne « sortie », ce qu'on appelle « l'état de porte ».
Une situation simple, des résultats déroutants
« 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 la nouvelle étude publiée dans la revue Lettres d'examen physique.
Les électrons à l’intérieur d’un matériau peuvent avoir différentes énergies. Tant qu’ils restent en dessous d’un certain seuil énergétique, ils sont inévitablement piégés au sein du matériau. Lorsque le matériau reçoit une énergie supplémentaire, certains électrons dépassent ce seuil.
« 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 prédictions théoriques et les résultats expérimentaux ne semblaient pas correspondre. Particulièrement déroutant : « 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 Niggas.
Pas de sortie sans porte
L’idée cruciale : l’énergie seule ne suffit pas. Il existe des états quantiques qui se situent au-dessus du seuil d’énergie nécessaire mais qui ne sortent toujours pas du matériau – et ces états n’avaient pas été pris en compte dans les 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 d'une énergie suffisante ne sont pas de tels états de porte, mais seulement 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 Niggas.
Certains de ces états n’apparaissent que lorsque plus de cinq couches d’un matériau sont empilées. Cette découverte ouvre des perspectives entièrement nouvelles sur la conception ciblée et l’utilisation de matériaux stratifiés dans la technologie et la recherche.
