Længe forudsagt atomisk kollapstilstand observeret i grafen:Forskere genskaber undvigende fænomen med kunstig kerne

Den første eksperimentelle observation af et kvantemekanisk fænomen, der blev forudsagt for næsten 70 år siden, har vigtige konsekvenser for fremtiden for grafen-baserede elektroniske enheder. Arbejde med mikroskopiske kunstige atomkerner fremstillet på grafen, et samarbejde mellem forskere ledet af videnskabsmænd med det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og University of California (UC) Berkeley har afbildet de "atomiske kollaps"-stater, der teoretiseres til at forekomme omkring superstore atomkerner.

"Atomsammenbrud er en af ​​grafenforskningens hellige grale, såvel som en hellig gral af atom- og kernefysik, " siger Michael Crommie, en fysiker, der har fælles aftaler med Berkeley Lab's Materials Sciences Division og UC Berkeley's Physics Department. "Mens dette arbejde repræsenterer en meget flot bekræftelse af grundlæggende relativistiske kvantemekaniske forudsigelser lavet for mange årtier siden, det er også yderst relevant for fremtidige nanoskalaenheder, hvor elektrisk ladning er koncentreret i meget små områder."

Crommie er den tilsvarende forfatter til et papir, der beskriver dette arbejde i tidsskriftet Videnskab . Artiklen har titlen "Observing Atomic Collapse Resonances in Artificial Nuclei on Graphene." Medforfattere er Yang Wang, Dillon Wong, Andrey Shytov, Victor Brar, Sangkook Choi, Qiong Wu, Hsin-Zon Tsai, William Regan, Alex Zettl, Roland Kawakami, Steven Louie, og Leonid Levitov.

Udspringer fra idéerne fra kvantemekanik-pioneren Paul Dirac, atomkollapsteori hævder, at når den positive elektriske ladning af en supertung atomkerne overstiger en kritisk tærskel, det resulterende stærke Coulomb-felt får en negativt ladet elektron til at befolke en tilstand, hvor elektronen spiraler ned til kernen og derefter spiraler væk igen, udsender en positron (en positivt ladet elektron) i processen. Denne meget usædvanlige elektroniske tilstand er en væsentlig afvigelse fra, hvad der sker i et typisk atom, hvor elektroner indtager stabile cirkulære baner omkring kernen.

"Kernefysikere har forsøgt at observere atomart kollaps i mange årtier, men de så aldrig entydigt effekten, fordi det er så svært at lave og vedligeholde de nødvendige superstore kerner, " siger Crommie. "Graphene har givet os mulighed for at se en kondenseret stof analog med denne adfærd, siden den ekstraordinære relativistiske natur af elektroner i grafen giver en meget mindre nuklear ladningstærskel for at skabe de specielle superkritiske kerner, der vil udvise atomar kollapsadfærd."

Måske skaber intet andet materiale lige nu så meget begejstring for nye elektroniske teknologier som grafen, plader af rent kulstof kun et atom tykt, hvorigennem elektroner frit kan løbe 100 gange hurtigere, end de bevæger sig gennem silicium. Elektroner, der bevæger sig gennem grafens todimensionelle lag af kulstofatomer, som er arrangeret i et sekskantet mønstret honeycomb gitter, perfekt efterligne adfærden af ​​stærkt relativistisk ladede partikler uden masse. Supertynd, superstærk, superfleksibel, og superhurtig som en elektrisk leder, grafen er blevet udråbt som et potentielt vidundermateriale til en lang række elektroniske applikationer, begyndende med ultrahurtige transistorer.

I de senere år forudsagde videnskabsmænd, at højtladede urenheder i grafen skulle udvise en unik elektronisk resonans - en opbygning af elektroner, der delvist er lokaliseret i rum og energi - svarende til den atomare kollapstilstand af superstore atomkerner. Sidste sommer satte Crommies team scenen for eksperimentelt at verificere denne forudsigelse ved at bekræfte, at grafens elektroner i nærheden af ​​ladede atomer følger reglerne for relativistisk kvantemekanik. Imidlertid, ladningen på atomerne i den undersøgelse var endnu ikke stor nok til at se det uhåndgribelige atomsammenbrud.

"De resultater, imidlertid, var opmuntrende og indikerede, at vi skulle være i stand til at se den samme atomfysik med højt ladede urenheder i grafen som den atomare kollapsfysik forudsagt for isolerede atomer med højt ladede kerner, " siger Crommie. "Det vil sige, vi skulle se en elektron, der udviser en semiklassisk indadgående spiralbane og en ny kvantemekanisk tilstand, der er delvist elektronlignende nær kernen og delvist hullignende langt fra kernen. For grafen taler vi om 'huller' i stedet for de positroner, der diskuteres af kernefysikere."

For at teste denne idé, Crommie og hans forskergruppe brugte et specielt udstyret scanning tunneling mikroskop (STM) i ultrahøjt vakuum til at konstruere, via atomar manipulation, kunstige kerner på overfladen af ​​en gated grafenanordning. "Kernerne" var faktisk klynger bestående af par, eller dimerer, af calciumioner. Med STM, forskerne skubbede calciumdimerer sammen til en klynge, en efter en, indtil den samlede ladning i klyngen blev superkritisk. STM-spektroskopi blev derefter brugt til at måle de rumlige og energetiske karakteristika af den resulterende atomare kollaps elektroniske tilstand omkring den superkritiske urenhed.

"De positivt ladede calciumdimerer ved overfladen af ​​grafen i vores kunstige kerner spillede den samme rolle, som protoner spiller i almindelige atomkerner, " siger Crommie. "Ved at presse nok positiv ladning ind i et tilstrækkeligt lille område, vi var i stand til direkte at afbilde, hvordan elektroner opfører sig omkring en kerne, når kerneladningen metodisk øges fra under grænsen for superkritisk ladning, hvor der ikke er noget atomart kollaps, til over den superkritiske ladningsgrænse, hvor atomisk kollaps finder sted."

At observere atomisk kollapsfysik i et kondenseret stofsystem er meget anderledes end at observere det i en partikelkolliderer, siger Crommie. Hvorimod det "rygende pistol"-bevis for atomisk kollaps i en partikelkolliderer er emissionen af ​​en positron fra den superkritiske kerne, i et system med kondenseret stof er den rygende pistol begyndelsen på en elektronisk signaturtilstand i området i nærheden af ​​den superkritiske kerne. Crommie og hans gruppe observerede denne elektroniske signaturtilstand med kunstige kerner af tre eller flere calciumdimerer.

"Den måde, hvorpå vi observerer den atomare kollapstilstand i kondenseret stof og tænker over den, er ret forskellig fra, hvordan kerne- og højenergifysikere tænker på den, og hvordan de har forsøgt at observere den, men fysikkens hjerte er grundlæggende det samme, " siger Crommie.

Hvis det enorme løfte om grafen-baserede elektroniske enheder skal realiseres fuldt ud, videnskabsmænd og ingeniører bliver nødt til at opnå en bedre forståelse af fænomener som dette, der involverer interaktioner af elektroner med hinanden og med urenheder i materialet.

"Ligesom donor- og acceptorstater spiller en afgørende rolle i forståelsen af ​​konventionelle halvlederes adfærd, så skulle atomare kollapstilstande også spille en lignende rolle i forståelsen af ​​egenskaberne af defekter og dopingmidler i fremtidige grafenenheder, " siger Crommie.

"Fordi atomare kollapstilstande er de mest lokaliserede elektroniske tilstande, der er mulige i uberørt grafen, de præsenterer også helt nye muligheder for direkte at udforske og forstå elektronisk adfærd i grafen."