原子坍塌

来自美国伯克利大学的一组科学家首次观测到了“原子坍塌(atomic
collapse)”现象。这项发现成功验证了相对论量子力学理论在70年前所作出的预言。更为神奇的是,这一理论上本该发生在超大原子核周围的现象,是借助石墨烯这种一个原子厚度的二维材料的独特结构中实现的,所以“它对于今后基于石墨烯的电子器件的发展,尤其是极小的纳米器件的发展也有着深远的意义。”此项研究领导者Crommie在接受采访时,这样对果壳网说。

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加州大学伯克利分校物理学系的Mike
Crommie教授与他观测到的原子坍塌图像。图片由研究者提供
 

“原子坍塌”所说的并不是原子会碎一地。这一想法最早来自量子力学的奠基人之一保罗·狄拉克,它所描述的过程是:当超重原子核的所带正电荷量超过一个临界值时,产生的强库仑力场会使得带负电的电子进入一个新的量子态,这个状态下的电子开始螺旋地向着原子核跌落然后又螺旋地绕出原子核,并在此过程中发射出一个正电子(带正电荷的电子)。这种现象与我们熟知的、电子在绕核的圆轨道上运动的原子行为大相径庭。
 

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一般的电子绕原子核做圆周运动;但是超大原子核使得电子做螺线运动。图片由研究者提供
 

“过去的几十年里一直有核物理学家尝试去观察这一现象但都没有得到满意的结果。这是因为要得到并维持一个超大原子核实在是太困难了。”Crommie说,“而石墨烯则提供了一个在凝聚态物质中观察这一现象的机会。”

作为一张仅仅由碳原子铺成的平面,石墨烯带给我们的惊喜是在是太多了。电子在石墨烯中的移动速度是在硅中移动速度的100倍,高速使得它们表现出很强的相对论性质。这让原子坍塌所要求的原子核电荷量也小了很多。这样一来,当石墨烯中掺有带大量电荷的杂质时,就会产生相当于原子坍塌的现象。Crommie的实验组用扫描隧道显微镜(STM)把石墨烯上的五个钙二聚体(calcium
dimers)放到一起,组成超大“原子核”,继而通过STM来观测由此产生的原子坍塌态——也就是电子螺旋地绕近又绕出原子核,并且有空穴的产生(对应于正电子)的现象。

“根据量子力学中的海森堡不确定原理,我们不可能观测到一个电子运动的轨道。我们只能观测电子出现在空间不同位置的概率分布,来推知电子所处的量子态。”Crommie教授在接受果壳网采访时说道,“用一些数学上的方法我们可以根据电子的轨道推导出一个与这个轨道对应的量子态,并且从理论上(相对论量子力学)我们能够知道这样的量子态有着怎样的能谱特征和空间上的概率分布。我们用STM测得的能量和空间分布于理论的预测十分接近,这便是原子坍塌现象发生了的决定性证据。”
 

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Crommie的小组通过STM观测到的原子坍塌态的能量与空间分布。图片由研究者提供
 

Crommie教授认为,原子坍塌对于理解石墨烯上缺陷与掺杂的作用就如同施主与受主原子对于理解传统半导体工作原理的作用一样。原子坍塌将会让我们更好了解石墨烯上电子的运动规律,并为今后的石墨烯器件研发带来新的可能。

“我们现在正在研究多个原子坍塌态之间的相互作用,并且对多个电子参与原子坍塌态很感兴趣。”Crommie对果壳网说,“当石墨烯器件的大小缩小到10纳米左右时,原子坍塌现象将会大有作为。比如,如果把栅电极缩小到10纳米放在石墨烯附近时,就会产生一些由原子坍塌才能解释的效应。将来的纳米器件很可能因此而增加许多新的功能。”

 

Crommie小组的这一发现的论文已经发表在最新一期的《科学》杂志上。
DOI: 10.1126/science.1234320点此查看

 

 

信息来源:EurekAlert!

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