À de très basses températures, dans une absence de lumière, un photomultiplicateur émettra spontanément des électrons isolés. Le phénomène, connu comme “une émission cryogène d'électrons”, a été observé pour la première fois presque il y a 50 ans. Bien que les hommes de science connaissent certaines causes pour l'émission d'électrons sans lumière (aussi un soi-disant index obscur) – en incluant le chauffage, un champ électrique et la radiation par ionisation – aucun d'eux ne peut être tenu en compte pour l'émission cryogène. Normalement, les physiciens considèrent ces événements d'électrons obscurs peu désirables, étant donné que l'intention d'un photomultiplicateur est de détecter des photons en produisant les électrons respectifs comme résultat de l'effet photoélectrique.
Dans une étude récente, Hans-Otto Meyer, professeur de physique dans l'Université d'Indiana, a plus enquêté dans un détail sur l'émission cryogène d'électrons en réalisant les expériences qui démontrent comment les électrons déchargés sont distribués dans le temps. Ses résultats révèlent que les électrons sont émis dans les rafales que l'on succède d'une forme aléatoire, bien que dans un ráfada les électrons soient émis d'une forme propre correlada. Il suggère que les corrélations indiquent un type de mécanisme d'atrapamiento, mais le comportement inhabituel est inconsistant avec tout processus d'émission spontanée actuellement une connaissance. Au moins pour le moment, il ne semble pas y avoir une explication physique paa les observations.
“L'émission cryogène est un phénomène physique qui défie toute explication”, a dit Meyer à PhysOrg.com. “La physique responsable du même peut, ou non, être fondamentale, seulement l'avenir le dira. Les photomultiplicateurs offrent l'environnement dans lequel le phénomène peut être observé, mais j'ai les doutes de ce que mon travail soit d'une grande importance pour les utilisateurs de photomultiplicateurs”.
Dans ses expériences, Meyer a placé un photomultiplicateur dans un container vide, lequel il a submergé alors dans un azote ou un hélium liquide. En utilisant le refroidissement par radiation,-193 a refroidi le photomultiplicateur à une température de 80 K (° C) après un jour, et à 4 K (-269 ° C) dans un autre jour. Avec cette configuration, il a pu détecter les événements obscurs cryogènes, qui ont été démontrés qu'ils sont causés par les électrons isolés émis depuis la cathode du photomultiplicateur.
Comme ils ont démontré des investigations précédentes, en commençant depuis la température une atmosphère, l'index obscur descend, mais seulement jusqu'à un point. En dessous d'à peu près 220 K (-53 ° C), le niveau obscur s'équilibre. Avec un plus grand refroidissement, il commence à augmenter, et continue de monter même au moins 4 K (-269 ° C), la plus basse température pour laquelle Meyer a des données. La plupart d'experientos de Meyer a été réalisé à environ 80 K (-193 ° C).
Dans ses expériences, Meyer a trouvé que les électrons sont émis dans “des rafales“ – les nombreux coups de feu d'électrons que l'on succède proches dans le temps. Bien que ces rafales aient lieu aléatoirement, ils ont une durée distincte temporelle, en suivant sa distribution de durée une loi exponentielle. De plus, Meyer a trouvé que les événements de coup de feu individuel dans une rafale sont hautement correlados. Spécifiquement, dans une rafale, les premiers événements arrivent rapidement, et deviennent conformément moins fréquents la rafale s'"éteint".
Peut-être cette dernière observation sur des intervalles progressivement plus longs entre les événements de coup de feu dans une rafale, est plus intéressante. Meyer suggère que cette distribution propre d'événements pourrait être le résultat d'un mécanisme d'atrapamiento. S'il tombe dans un piège, un électron pourrait sortir de la même (pour être observé comme un événement obscur) ou recombinarse avec un creux d'électrons. Quand un piège d'électrons se vide, le rythme d'émission serait proportionnel au nombre d'électrons qui restent dans le piège. Cette scène pourrait, possiblement, expliquer la sortie initiale à borbotones dans la rafale, suivi par certains restes qui se désenfilent.
Conformément à des observations précédentes des corrélations entre une température et un index obscur, les rythmes d'émission d'électrons dans les expériences de Meyer se sont aussi trouvés affectés par la température. Quand la température tombe, le rythme de rafales et le nombre d'événements par rafale augmente. Cette observation dont le rythme d'émission augmente quand il descend la température cadre bien avec l'hypothèse du piège, dans lequel ce serait la conséquence la moins importante d'une récombinaison, en donnant comme en ressorti plus d'électrons en sortant du piège.
Comme le signale Meyer, un processus qui devient plus probable quand il descend la température comme il succède dans l'émission cryogène d'électrons, est très inhabituel dans la physique. Entre ses observations les plus intéressantes ils sont que le rythme d'émission cryogène ne dépend pas de si le dispositif se refroidit ou chauffe, mais seulement de l'actuelle température. En général, les propriétés d'émission cryogène d'électrons, ils ne cadrent pas avec d'autres processus connus d'émission spontanée, y compris l'émission thermique, l'émission de champ, la radioactivité ou la radiation pénétrante comme celle des rayons cosmiques. Par exemple, à l'opposé des processus bien connus d'émission de champ et le termoiónica, l'émission cryogène ne dépend pas du champ électrique sur la surface émettrice. Au moins pour l'instant, le phénomène de l'émission cryogène d'électrons continue d'être un mystère.
“La nature a une grande quantité de surprises envers de très basses températures sous la manche”, commente Meyer. “Je ne veux pas spéculer sur quelle se trouvera l'explication de l'émission cryogène, mais je ne serais pas surpris si la structure de bande de semi-conducteurs occupe un papier important”.
Il ajoute que son pas suivant sera d'enquêter comment universel est l'effet.
“Y a-t-il une émission cryogène sur d'autres surfaces en dehors de la cathode d'un photomultiplicateur ?”, demande-t-il. “C'est la question suivante à répondre à lui grâce à des expériences. Avec chance bientôt nous aurons les modèles théoriques qui mènent aux prédictions qui peuvent être vérifiées dans des expériences futures”.
Plus d'information : Une H. O. Meyer. “Spontaneous un électron emission from à cold surface.” Europhysics Letters, 89 (2010) 58001. Doi:10.1209 / 0295-5075 / 89/58001
L'auteur : Lisa Ziga
Une date Originale : Le 10 mars 2010
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