Zero photoemission from icosahedral superatoms

光是理解物质世界的一项基本工具。当光子撞击原子或分子时，它可能会将电子撞飞，使其飞走。这种被称为“光电发射”的过程，是包括太阳能电池板到数字相机传感器在内的一切技术的基石。几十年来，物理学家一直知道，一旦光具有足够的能量来克服电子的束缚，发生这种现象的可能性——即被弹出的电子数量——通常会稳步上升。然而，这一规则存在一个奇特的例外。在某些特定条件下，电子被弹出的概率可能会降至几乎为零，即使光本身的能量足以完成这项工作。这种被称为“库珀极小值”（Cooper minimum）的现象，发生在电子的波动性质与光发生相互作用，从而导致它们相互抵消的情况下。虽然这种效应在单个原子中已被观察到，但在大型人工结构中从未出现过，这让科学家们怀疑这究竟是单原子特有的怪癖，还是一个等待被发现的普遍规律。

九州大学和北海道健康科学大学的一个研究小组现在已经证明，这种“零光电发射”可以在复杂的、人工合成的原子簇中被刻意设计出来。他们创造了一个由十二个银原子组成的微型球形笼状结构，中心隐藏着一个钨原子。这种被称为“超原子”的结构模仿了单个巨型原子的行为。通过利用不同能量的激光脉冲照射这些原子簇，科学家们观察了有多少电子被撞飞。他们发现，在恰好高于释放电子所需最小能量的 0.85 电子伏特处，发射完全停止了。信号消失了。该原子簇对光变得完全透明，拒绝释放任何电子。这并非活动的逐渐下降，而是一种彻底的沉寂，是对此前仅在如此大型系统中被理论化过的光电效应的完全抑制。

要理解为什么会发生这种情况，必须观察这些原子簇内部电子云的形状。在银-钨原子簇中，最外层电子居住在一个球形轨道中，非常类似于氢原子中最简单的电子壳层。当光撞击这个电子时，它试图将其推向外侧。研究人员计算出，在信号消失的特定能量下，代表向外运动电子的波具有一个正部分和一个负部分，且两者完美平衡。当电子试图离开时，这两个部分恰好相互抵消，导致净运动量为零。这就像电子试图向前行走，但每走一步，都会受到一个相等且方向相反的力量将其拉回，使其原地踏步。这种抵消是库珀极小值的一种极端形式，通常这种现象只会导致信号的下降，但在本实验中，它导致了信号的完全消失。

该团队并非仅凭一次观察就得出结论。他们在气相中构建了银-钨原子簇，并使用一套先进的摄像系统拍摄了数千张电子被弹出的照片。他们改变了激光颜色的能量，从释放电子所需的能量阈值一直增加到更高水平。图像显示，随着能量增加，电子呈现出一个扩张的圆环，但随后在一个狭窄的能量窗口内，这个圆环消失了。为了证实这并非偶然，他们用一种由银和钼（而非钨）组成的几乎完全相同的原子簇重复了实验。由于钼和钨是化学上的近亲，新的原子簇表现得几乎完全一样，在几乎相同的能量水平下也显示出了电子发射的完全沉寂。这种重复证明了该效应是这些球形结构的根本属性，而非设备错误或偶发事件。

研究人员还运行了计算机模拟来模拟电子的行为。他们发现，电子波的数学描述与实验数据完美契合。模拟表明，电子波的抵消是由其占据轨道的特定形状以及原子簇的结构方式决定的。该原子簇具有高度的对称性，形状为一个拥有二十个三角形面的完美二十面体，这迫使电子以一种非常有序的、类原子的行为方式运行。这种高度的对称性至关重要；在对称性较低的结构中，电子会有多条逃逸路径，从而使得所有路径无法同时抵消。通过用金属原子创造出一个近乎完美的球体，科学家们创造了一个可以发生这种微妙抵消的受控环境。

这一发现改变了我们看待光与人工微型系统之间相互作用的方式。它表明，通过仔细选择原子的数量和所使用的元素类型，科学家可以调节原子簇的性质，从而控制其是否发射电子。仅仅通过调节光的能量，就能完全实现光电发射的开启与关闭，这为研究电子的基本物理学开辟了新的可能性。它提供了一个干净的平台，用于研究其他微妙效应，例如电子离开原子需要多长时间，或者光在以超出简单模型的方式与物质相互作用时是如何表现的。这项工作证实了量子力学中奇特的、波动性的抵消现象不仅限于最小、最简单的原子，也可以在纳米世界的复杂人工结构中被发现和操纵。