Ученые Венского технического университета (TU Wien) решили многолетнюю физическую загадку, имеющую значение для развития квантовых технологий

Ученые Венского технического университета (TU Wien) решили многолетнюю физическую загадку, имеющую значение для развития квантовых технологий

Исследователи Венского технического университета (TU Wien) раскрыли причину, по которой электроны с достаточной энергией иногда не могут покинуть твёрдый материал — явление, озадачивавшее физиков на протяжении многих лет. Их работа, опубликованная в Physical Review Letters в октябре 2025 года, объясняет, что для выхода из материала электронам требуется не только энергия, но и доступ к особым квантовым состояниям — так называемым «дверным состояниям» (doorway states), которые служат своеобразными путями к свободе.

---

Открытие «квантового дверного проёма»

Исследовательская группа под руководством Анны Ниггас и профессора Рихарда Вильгельма показала, что поведение электронов при эмиссии нельзя объяснить только их энергией.

> «Можно предположить, что все электроны, как только у них появляется достаточно энергии, просто покидают материал, — поясняет профессор Вильгельм. — Если бы это было так, всё было бы просто: мы могли бы просто смотреть на энергии электронов внутри вещества и сразу знать, какие из них выйдут наружу. Но, как оказалось, всё происходит не так».

Чтобы проиллюстрировать это, учёные предложили простую аналогию:

> «Представьте лягушку, сидящую в коробке с отверстием на определённой высоте. Энергии прыжка одной лишь недостаточно — лягушка должна прыгнуть сквозь отверстие, чтобы выбраться наружу», — говорится в пресс-релизе TU Wien.

Так же и электроны: им нужна не только «высота прыжка» (энергия), но и правильное квантовое направление, позволяющее попасть в «дверное состояние» — единственный путь в свободное пространство.

---

Квантовое поведение, зависящее от числа слоёв

Исследование выявило, что электронная эмиссия резко меняется даже у материалов с похожей энергетической структурой. В частности, у образцов графена с разным числом слоёв — несмотря на почти идентичные уровни энергии электронов — наблюдались совершенно разные характеристики эмиссии.

Команда обнаружила, что некоторые «дверные» состояния формируются только при наложении более пяти слоёв материала.

> «Впервые мы показали, что форма электронного спектра зависит не только от самого материала, но и, что критически важно, от того, существуют ли такие резонансные дверные состояния и где именно они расположены», — отмечает Анна Ниггас.

С помощью расчётов по теории функционала плотности (DFT) исследователи установили, что эти состояния действуют как резонансы Фешбаха — квантово-механические каналы связи, которые позволяют электронам переходить из связанных состояний внутри материала в свободные состояния за его пределами.

Наиболее сильная связь возникает примерно на уровне 3,7 электронвольта выше порога вакуума, что объясняет загадочный пик эмиссии электронов, наблюдавшийся в экспериментах десятилетиями.

---

Значение открытия

Это открытие открывает новые перспективы для создания слоистых материалов с контролируемыми свойствами электронной эмиссии, что может иметь важные применения в электронной микроскопии, полупроводниковых технологиях и квантовых устройствах нового поколения.

---

📖 Источник:

Vienna University of Technology (TU Wien), “The Quantum Door Puzzle – Electrons That Can’t Find the Exit”, October 2025.

https://www.tuwien.at/en/all-news/news/das-raetsel-der-quanten-tuer-elektronen-die-den-ausgang-nicht-finden