來自美國伯克利大學(xué)的一組科學(xué)家首次觀測到了“原子坍塌（atomic collapse）”現(xiàn)象。這項發(fā)現(xiàn)成功驗證了相對論量子力學(xué)理論在70年前所作出的預(yù)言。更為神奇的是，這一理論上本該發(fā)生在超大原子核周圍的現(xiàn)象，是借助石墨烯這種一個原子厚度的二維材料的獨特結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)的，所以“它對于今后基于石墨烯的電子器件的發(fā)展，尤其是極小的納米器件的發(fā)展也有著深遠(yuǎn)的意義?！贝隧椦芯款I(lǐng)導(dǎo)者Crommie在接受采訪時，這樣對果殼網(wǎng)說。
“原子坍塌”所說的并不是原子會碎一地。這一想法最早來自量子力學(xué)的奠基人之一保羅·狄拉克，它所描述的過程是：當(dāng)超重原子核的所帶正電荷量超過一個臨界值時，產(chǎn)生的強庫侖力場會使得帶負(fù)電的電子進(jìn)入一個新的量子態(tài)，這個狀態(tài)下的電子開始螺旋地向著原子核跌落然后又螺旋地繞出原子核，并在此過程中發(fā)射出一個正電子（帶正電荷的電子）。這種現(xiàn)象與我們熟知的、電子在繞核的圓軌道上運動的原子行為大相徑庭。
“過去的幾十年里一直有核物理學(xué)家嘗試去觀察這一現(xiàn)象但都沒有得到滿意的結(jié)果。這是因為要得到并維持一個超大原子核實在是太困難了?！盋rommie說，“而石墨烯則提供了一個在凝聚態(tài)物質(zhì)中觀察這一現(xiàn)象的機(jī)會。”
作為一張僅僅由碳原子鋪成的平面，石墨烯帶給我們的驚喜是在是太多了。電子在石墨烯中的移動速度是在硅中移動速度的100倍，高速使得它們表現(xiàn)出很強的相對論性質(zhì)。這讓原子坍塌所要求的原子核電荷量也小了很多。這樣一來，當(dāng)石墨烯中摻有帶大量電荷的雜質(zhì)時，就會產(chǎn)生相當(dāng)于原子坍塌的現(xiàn)象。Crommie的實驗組用掃描隧道顯微鏡（STM）把石墨烯上的五個鈣二聚體（calcium dimers）放到一起，組成超大“原子核”，繼而通過STM來觀測由此產(chǎn)生的原子坍塌態(tài)——也就是電子螺旋地繞近又繞出原子核，并且有空穴的產(chǎn)生（對應(yīng)于正電子）的現(xiàn)象。
“根據(jù)量子力學(xué)中的海森堡不確定原理，我們不可能觀測到一個電子運動的軌道。我們只能觀測電子出現(xiàn)在空間不同位置的概率分布，來推知電子所處的量子態(tài)?！盋rommie教授在接受果殼網(wǎng)采訪時說道，“用一些數(shù)學(xué)上的方法我們可以根據(jù)電子的軌道推導(dǎo)出一個與這個軌道對應(yīng)的量子態(tài)，并且從理論上（相對論量子力學(xué)）我們能夠知道這樣的量子態(tài)有著怎樣的能譜特征和空間上的概率分布。我們用STM測得的能量和空間分布于理論的預(yù)測十分接近，這便是原子坍塌現(xiàn)象發(fā)生了的決定性證據(jù)?！?br>
Crommie教授認(rèn)為，原子坍塌對于理解石墨烯上缺陷與摻雜的作用就如同施主與受主原子對于理解傳統(tǒng)半導(dǎo)體工作原理的作用一樣。原子坍塌將會讓我們更好了解石墨烯上電子的運動規(guī)律，并為今后的石墨烯器件研發(fā)帶來新的可能。
“我們現(xiàn)在正在研究多個原子坍塌態(tài)之間的相互作用，并且對多個電子參與原子坍塌態(tài)很感興趣?！盋rommie對果殼網(wǎng)說，“當(dāng)石墨烯器件的大小縮小到10納米左右時，原子坍塌現(xiàn)象將會大有作為。比如，如果把柵電極縮小到10納米放在石墨烯附近時，就會產(chǎn)生一些由原子坍塌才能解釋的效應(yīng)。將來的納米器件很可能因此而增加許多新的功能?！?/p>
Crommie小組的這一發(fā)現(xiàn)的論文已經(jīng)發(fā)表在最新一期的《科學(xué)》雜志上。
DOI: 10.1126/science.1234320點此查看
信息來源：EurekAlert！
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