Apa yang terjadi jika elektron meninggalkan bahan padat? Fenomena yang tampaknya sederhana ini, hingga saat ini, masih luput dari penjelasan teoretis yang akurat. Kini, para peneliti telah menemukan potongan teka-teki yang hilang tersebut.
Bayangkan seekor katak duduk di dalam kotak. Kotak tersebut mempunyai bukaan yang besar pada ketinggian tertentu. Bisakah katak itu melarikan diri? Hal ini bergantung pada seberapa besar energi yang dimilikinya: jika ia dapat melompat cukup tinggi, pada prinsipnya ia dapat berhasil. Namun apakah hal ini benar-benar berhasil adalah pertanyaan lain. Ketinggian lompatan saja tidak cukup – katak juga perlu melompati celah tersebut.
Situasi serupa terjadi pada elektron di dalam benda padat. Ketika diberi sedikit energi ekstra – misalnya, dengan membombardir material dengan elektron tambahan – mereka mungkin dapat melepaskan diri dari material tersebut. Efek ini telah dikenal selama bertahun-tahun dan digunakan secara luas dalam bidang teknologi. Namun yang mengejutkan, proses ini tidak pernah dapat dihitung secara akurat. Kolaborasi antara beberapa kelompok penelitian di TU Wien kini telah memecahkan misteri ini: seperti halnya katak, bukan hanya energi yang penting – elektron juga perlu menemukan “jalan keluar” yang tepat, yang disebut “keadaan pintu keluar”.
Situasi Sederhana, Hasil Membingungkan
“Padatan tempat munculnya elektron yang relatif lambat memainkan peran penting dalam fisika. Dari energi elektron ini, kita dapat mengekstrak informasi berharga tentang material tersebut,” kata Anna Niggas dari Institut Fisika Terapan di TU Wien, penulis pertama studi baru ini.
Elektron di dalam suatu material dapat memiliki energi yang berbeda-beda. Selama mereka masih berada di bawah ambang batas energi tertentu, mereka pasti akan terjebak di dalam material. Ketika material disuplai dengan energi tambahan, beberapa elektron melebihi ambang batas ini.
“Orang mungkin berasumsi bahwa semua elektron ini, setelah memiliki energi yang cukup, akan meninggalkan materinya,” kata Prof. Richard Wilhelm, kepala kelompok Fisika Atom dan Plasma di TU Wien. “Jika hal tersebut benar, segalanya akan menjadi sederhana: kita hanya perlu melihat energi elektron di dalam material dan secara langsung menyimpulkan elektron mana yang akan muncul di luar. Namun, ternyata, bukan itu yang terjadi.”
Prediksi teoretis dan hasil eksperimen tampaknya tidak sesuai. Yang sangat membingungkan: “Material yang berbeda – seperti struktur graphene dengan jumlah lapisan yang berbeda – dapat memiliki tingkat energi elektron yang sangat mirip, namun menunjukkan perilaku yang sangat berbeda dalam emisi elektron,” kata Anna Niggas.
Tidak Ada Jalan Keluar Tanpa Pintu
Wawasan penting: energi saja tidak cukup. Terdapat keadaan kuantum yang berada di atas ambang batas energi yang diperlukan namun tetap tidak mengarah keluar dari materi – dan keadaan ini belum diperhitungkan dalam model sebelumnya. “Dari sudut pandang energi, elektron tidak lagi terikat pada benda padat. Ia memiliki energi elektron bebas, namun tetap berada pada lokasi spasial di tempat benda padat berada,” kata Richard Wilhelm. Elektron berperilaku seperti katak yang melompat cukup tinggi namun gagal menemukan jalan keluar.
“Elektron harus menempati keadaan yang sangat spesifik – yang disebut keadaan pintu,” jelas Prof. Florian Libisch dari Institut Fisika Teoritis. “Negara-negara bagian ini sangat berpasangan dengan negara-negara yang benar-benar mengarah keluar dari benda padat. Tidak setiap negara bagian dengan energi yang cukup merupakan negara pintu masuk – hanya negara-negara yang mewakili 'pintu terbuka' ke luar.”
“Untuk pertama kalinya, kami telah menunjukkan bahwa bentuk spektrum elektron tidak hanya bergantung pada material itu sendiri, namun juga sangat bergantung pada apakah dan di mana kondisi pintu resonansi tersebut berada,” kata Anna Niggas. Beberapa dari keadaan ini hanya muncul ketika lebih dari lima lapisan material ditumpuk. Penemuan ini membuka perspektif baru terhadap desain yang ditargetkan dan penggunaan material berlapis dalam teknologi dan penelitian.
Publikasi asli:
A. Niggas dkk., Mengidentifikasi Keadaan Pintu Elektronik dalam Emisi Elektron Sekunder dari Bahan Berlapis, Phys. Pendeta Lett. 135, 166401 (2025).
https://link.aps.org/doi/10.1103/qls7-tr4v
