Den första experimentella observationen av ett kvantmekaniskt fenomen som förutspåddes för nästan 70 år sedan har viktiga konsekvenser för framtiden för grafenbaserade elektroniska enheter. Arbeta med mikroskopiska artificiella atomkärnor tillverkade på grafen, ett samarbete mellan forskare som leds av forskare med U.S. Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och University of California (UC) Berkeley har avbildat "atomkollaps" -staterna som teoretiseras att inträffa runt superstora atomkärnor.

"Atomkollaps är en av de heliga graalerna inom grafenforskning, såväl som en helig gral av atom- och kärnfysik, "säger Michael Crommie, en fysiker som har gemensamma möten med Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning och UC Berkeleys fysikavdelning. "Medan detta arbete representerar en mycket trevlig bekräftelse på grundläggande relativistiska kvantmekaniska förutsägelser som gjordes för många decennier sedan, det är också mycket relevant för framtida enheter i nanoskala där elektrisk laddning är koncentrerad till mycket små områden."

Crommie är motsvarande författare till en artikel som beskriver detta arbete i tidskriften Vetenskap . Uppsatsen har titeln "Observing Atomic Collapse Resonances in Artificiella Nuclei on Graphene." Medförfattare är Yang Wang, Dillon Wong, Andrey Shytov, Victor Brar, Sangkook Choi, Qiong Wu, Hsin-Zon Tsai, William Regan, Alex Zettl, Roland Kawakami, Steven Louie, och Leonid Levitov.

Ursprunget från idéerna om kvantmekanikpionjären Paul Dirac, atomkollapsteorin hävdar att när den positiva elektriska laddningen av en supertung atomkärna överstiger en kritisk tröskel, det resulterande starka Coulomb -fältet gör att en negativt laddad elektron fyller ett tillstånd där elektronen spiraler ner till kärnan och sedan spiraler bort igen, avger en positron (en positivt laddad elektron) i processen. Detta mycket ovanliga elektroniska tillstånd är en betydande avvikelse från vad som händer i en typisk atom, där elektroner upptar stabila cirkulära banor runt kärnan.

"Kärnfysiker har försökt observera atomkollaps i många decennier, men de såg aldrig entydigt effekten eftersom det är så svårt att tillverka och underhålla de nödvändiga superstora kärnorna, "Crommie säger." Graphene har gett oss möjlighet att se en kondenserad analog av detta beteende, eftersom den extraordinära relativistiska naturen hos elektroner i grafen ger en mycket mindre kärnladdningströskel för att skapa de speciella superkritiska kärnorna som kommer att uppvisa atomkollapsbeteende."

Kanske inget annat material för närvarande genererar så mycket spänning för ny elektronisk teknologi som grafen, ark av rent kol bara en atom tjockt genom vilka elektroner fritt kan rasa 100 gånger snabbare än de rör sig genom kisel. Elektroner som rör sig genom grafens tvådimensionella lager av kolatomer, som är arrangerade i ett sexkantigt mönstrat bikakegitter, efterliknar perfekt beteendet hos mycket relativistiskt laddade partiklar utan massa. Supertunn, Super stark, superflexibel, och supersnabb som en elektrisk ledare, grafen har utpekats som ett potentiellt undermaterial för en mängd elektroniska applikationer, börjar med supersnabba transistorer.

Under de senaste åren förutspådde forskare att högladdade föroreningar i grafen skulle uppvisa en unik elektronisk resonans - en uppbyggnad av elektroner som delvis är lokaliserade i rymden och energin - motsvarande atomkollapstillståndet för superstora atomkärnor. Förra sommaren satte Crommies team scenen för att experimentellt verifiera denna förutsägelse genom att bekräfta att grafens elektroner i närheten av laddade atomer följer reglerna för relativistisk kvantmekanik. Dock, laddningen på atomerna i den studien var ännu inte tillräckligt stor för att se den svårfångade atomkollapsen.

"De här resultaten, dock, var uppmuntrande och indikerade att vi borde kunna se samma atomfysik med mycket laddade föroreningar i grafen som atomkollapsfysiken förutspådde för isolerade atomer med högladdade kärnor, " säger Crommie. "Det vill säga, vi borde se en elektron som uppvisar en halvklassisk inåtgående spiralbana och ett nytt kvantmekaniskt tillstånd som är delvis elektronliknande nära kärnan och delvis hålliknande långt från kärnan. För grafen talar vi om "hål" istället för de positroner som diskuteras av kärnfysiker."

För att testa denna idé, Crommie och hans forskargrupp använde ett speciellt utrustat scanning tunneling microscope (STM) i ultrahögt vakuum för att konstruera, via atommanipulation, konstgjorda kärnor på ytan av en grindad grafenanordning. "Kärnorna" var faktiskt kluster uppbyggda av par, eller dimerer, av kalciumjoner. Med STM, forskarna tryckte ihop kalciumdimerer till ett kluster, en och en, tills den totala laddningen i klustret blev superkritisk. STM-spektroskopi användes sedan för att mäta de rumsliga och energetiska egenskaperna hos det resulterande elektroniska tillståndet för atomkollaps runt den superkritiska föroreningen.

"De positivt laddade kalciumdimererna på ytan av grafen i våra konstgjorda kärnor spelade samma roll som protoner spelar i vanliga atomkärnor, " säger Crommie. "Genom att pressa in tillräckligt med positiv laddning på ett tillräckligt litet område, vi kunde direkt avbilda hur elektroner beter sig runt en kärna när kärnladdningen metodiskt ökas från under den superkritiska laddningsgränsen, där det inte finns någon atomkollaps, till över den superkritiska laddningsgränsen, där atomkollaps inträffar. "

Att observera atomär kollapsfysik i ett system med kondenserad materia skiljer sig mycket från att observera det i en partikelkolliderare, säger Crommie. Medan i en partikelkolliderare är det "rykande pistolen" beviset på atomkollaps utsläppet av en positron från den superkritiska kärnan, i ett system med kondenserad materia är den rökande pistolen början på ett elektroniskt signaturtillstånd i regionen nära den superkritiska kärnan. Crommie och hans grupp observerade detta elektroniska signaturtillstånd med artificiella kärnor av tre eller flera kalciumdimerer.

"Det sätt på vilket vi observerar atomkollaps-tillståndet i kondenserad materia och tänker på det är helt annorlunda än hur kärn- och högenergifysikerna tänker om det och hur de har försökt observera det, men fysikens hjärta är i huvudsak detsamma, säger Crommie.

Om det enorma löftet om grafenbaserade elektroniska enheter ska förverkligas fullt ut, forskare och ingenjörer kommer att behöva uppnå en bättre förståelse av fenomen som detta som involverar interaktioner mellan elektroner med varandra och med föroreningar i materialet.

"Precis som givar- och acceptorstater spelar en avgörande roll för att förstå beteendet hos konventionella halvledare, så borde också atomära kollapstillstånd spela en liknande roll för att förstå egenskaperna hos defekter och dopämnen i framtida grafenenheter, säger Crommie.

"Eftersom atomära kollapstillstånd är de mest lokaliserade elektroniska tillstånden som är möjliga i orörd grafen, de presenterar också helt nya möjligheter för att direkt utforska och förstå elektroniskt beteende i grafen. "