De eerste experimentele waarneming van een kwantummechanisch fenomeen dat bijna 70 jaar geleden werd voorspeld, heeft belangrijke implicaties voor de toekomst van op grafeen gebaseerde elektronische apparaten. Werken met microscopisch kleine kunstmatige atoomkernen vervaardigd op grafeen, een samenwerking van onderzoekers onder leiding van wetenschappers met het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy en de University of California (UC) Berkeley hebben de toestanden van "atoom ineenstorting" voorgesteld die zich voordoen rond supergrote atoomkernen.

"Atomaire ineenstorting is een van de heilige gralen van grafeenonderzoek, evenals een heilige graal van atoom- en kernfysica, " zegt Michael Crommie, een fysicus die gezamenlijke afspraken heeft met de Materials Sciences Division van Berkeley Lab en de Physics Department van UC Berkeley. "Hoewel dit werk een zeer mooie bevestiging vertegenwoordigt van fundamentele relativistische voorspellingen van de kwantummechanica die vele decennia geleden zijn gedaan, het is ook zeer relevant voor toekomstige apparaten op nanoschaal waar elektrische lading is geconcentreerd in zeer kleine gebieden."

Crommie is de corresponderende auteur van een paper waarin dit werk in het tijdschrift wordt beschreven Wetenschap . Het artikel is getiteld "Observing Atomic Collapse Resonances in Artificial Nuclei on Graphene." Co-auteurs zijn Yang Wang, Dillon Wong, Andrey Shytov, Victor Brar, Sangkook Choi, Qion Wu, Hsin-Zon Tsai, Willem Regan, Alex Zettl, Roland Kawakami, Steven Louie, en Leonid Levitov.

Afkomstig van de ideeën van de kwantummechanica-pionier Paul Dirac, atomaire ineenstortingstheorie stelt dat wanneer de positieve elektrische lading van een superzware atoomkern een kritische drempel overschrijdt, het resulterende sterke Coulomb-veld zorgt ervoor dat een negatief geladen elektron een toestand bevolkt waarin het elektron naar de kern spiraliseert en dan weer weg spiraliseert, daarbij een positron (een positief geladen elektron) uitzenden. Deze hoogst ongebruikelijke elektronische toestand wijkt aanzienlijk af van wat er in een typisch atoom gebeurt, waar elektronen stabiele cirkelvormige banen rond de kern innemen.

"Kernfysici hebben tientallen jaren geprobeerd de ineenstorting van het atoom waar te nemen, maar ze zagen nooit eenduidig ​​het effect omdat het zo moeilijk is om de noodzakelijke supergrote kernen te maken en te onderhouden, Crommie zegt. "Grafeen heeft ons de kans gegeven om een ​​gecondenseerde materie analoog van dit gedrag te zien, omdat de buitengewone relativistische aard van elektronen in grafeen een veel kleinere nucleaire ladingsdrempel oplevert voor het creëren van de speciale superkritische kernen die atomair instortingsgedrag zullen vertonen."

Misschien genereert geen ander materiaal momenteel zoveel opwinding voor nieuwe elektronische technologieën als grafeen, platen van pure koolstof van slechts één atoom dik waardoor elektronen 100 keer sneller kunnen racen dan ze door silicium bewegen. Elektronen die door de tweedimensionale laag koolstofatomen van grafeen bewegen, die zijn gerangschikt in een honingraatrooster met zeshoekig patroon, perfect nabootsen van het gedrag van zeer relativistisch geladen deeltjes zonder massa. Super dun, Super sterk, superflexibel, en supersnel als elektrische geleider, grafeen is aangeprezen als een potentieel wondermateriaal voor een groot aantal elektronische toepassingen, beginnend met ultrasnelle transistoren.

In de afgelopen jaren voorspelden wetenschappers dat sterk geladen onzuiverheden in grafeen een unieke elektronische resonantie zouden vertonen - een opeenhoping van elektronen gedeeltelijk gelokaliseerd in ruimte en energie - die overeenkomt met de atomaire instortingstoestand van supergrote atoomkernen. Afgelopen zomer heeft Crommie's team de weg geëffend voor het experimenteel verifiëren van deze voorspelling door te bevestigen dat de elektronen van grafeen in de buurt van geladen atomen de regels van relativistische kwantummechanica volgen. Echter, de lading op de atomen in die studie was nog niet groot genoeg om de ongrijpbare atoominstorting te zien.

"Die resultaten, echter, waren bemoedigend en gaven aan dat we dezelfde atoomfysica met sterk geladen onzuiverheden in grafeen zouden moeten kunnen zien als de fysica van de instorting van het atoom voorspeld voor geïsoleerde atomen met sterk geladen kernen, " zegt Crommie. "Dat wil zeggen, we zouden een elektron moeten zien dat een semiklassiek binnenwaarts spiraalvormig traject vertoont en een nieuwe kwantummechanische toestand die gedeeltelijk elektronachtig is nabij de kern en gedeeltelijk gatachtig ver van de kern. Voor grafeen hebben we het over 'gaten' in plaats van de positronen die door kernfysici worden besproken."

Om dit idee te testen, Crommie en zijn onderzoeksgroep gebruikten een speciaal uitgeruste scanning tunneling microscoop (STM) in ultrahoog vacuüm om, via atomaire manipulatie, kunstmatige kernen op het oppervlak van een gated grafeenapparaat. De "kernen" waren eigenlijk clusters bestaande uit paren, of dimeren, van calciumionen. Met de STM, de onderzoekers duwden calciumdimeren samen tot een cluster, een voor een, totdat de totale lading in het cluster superkritisch werd. STM-spectroscopie werd vervolgens gebruikt om de ruimtelijke en energetische kenmerken van de resulterende elektronische toestand van de atomaire ineenstorting rond de superkritische onzuiverheid te meten.

"De positief geladen calciumdimeren aan het oppervlak van grafeen in onze kunstmatige kernen speelden dezelfde rol als protonen in reguliere atoomkernen, "zegt Crommie. "Door genoeg positieve lading in een voldoende klein gebied te persen, we waren in staat om direct in beeld te brengen hoe elektronen zich rond een kern gedragen als de nucleaire lading methodisch wordt verhoogd van onder de superkritische ladingslimiet, waar geen atomaire ineenstorting is, tot boven de superkritische ladingslimiet, waar atomaire ineenstorting plaatsvindt."

Het observeren van atomaire ineenstortingsfysica in een systeem van gecondenseerde materie is heel anders dan het observeren in een deeltjesversneller, zegt Crommie. Terwijl in een deeltjesversneller het "rokende geweer" bewijs van atomaire ineenstorting de emissie is van een positron uit de superkritische kern, in een systeem van gecondenseerde materie is het rokende pistool het begin van een kenmerkende elektronische toestand in het gebied nabij de superkritische kern. Crommie en zijn groep observeerden deze kenmerkende elektronische toestand met kunstmatige kernen van drie of meer calciumdimeren.

"De manier waarop we de atomaire ineenstortingstoestand in gecondenseerde materie observeren en erover denken, is heel anders dan hoe de kern- en hoge-energiefysici erover denken en hoe ze hebben geprobeerd het waar te nemen, maar het hart van de fysica is in wezen hetzelfde, ' zegt Crommie.

Als de immense belofte van op grafeen gebaseerde elektronische apparaten volledig moet worden gerealiseerd, wetenschappers en ingenieurs zullen een beter begrip moeten krijgen van fenomenen zoals deze waarbij de interacties van elektronen met elkaar en met onzuiverheden in het materiaal betrokken zijn.

"Net zoals donor- en acceptorstaten een cruciale rol spelen bij het begrijpen van het gedrag van conventionele halfgeleiders, zo ook zouden atomaire instortingstoestanden een vergelijkbare rol moeten spelen bij het begrijpen van de eigenschappen van defecten en doteerstoffen in toekomstige grafeenapparaten, ' zegt Crommie.

"Omdat atomaire instortingstoestanden de meest gelokaliseerde elektronische toestanden zijn die mogelijk zijn in ongerept grafeen, ze bieden ook volledig nieuwe mogelijkheden voor het direct verkennen en begrijpen van elektronisch gedrag in grafeen."