La primera observación experimental de un fenómeno de la mecánica cuántica que se predijo hace casi 70 años tiene importantes implicaciones para el futuro de los dispositivos electrónicos basados ​​en grafeno. Trabajando con núcleos atómicos artificiales microscópicos fabricados con grafeno, una colaboración de investigadores dirigida por científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. y la Universidad de California (UC) en Berkeley han obtenido imágenes de los estados del "colapso atómico" que se teorizó que ocurren alrededor de núcleos atómicos supergrandes.

"El colapso atómico es uno de los santos griales de la investigación del grafeno, así como un santo grial de física atómica y nuclear, "dice Michael Crommie, un físico que tiene nombramientos conjuntos con la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab y el Departamento de Física de UC Berkeley. "Si bien este trabajo representa una muy buena confirmación de las predicciones básicas de la mecánica cuántica relativista hechas hace muchas décadas, también es muy relevante para los futuros dispositivos a nanoescala donde la carga eléctrica se concentra en áreas muy pequeñas ".

Crommie es el autor correspondiente de un artículo que describe este trabajo en la revista Ciencias . El artículo se titula "Observación de resonancias de colapso atómico en núcleos artificiales sobre grafeno". Los coautores son Yang Wang, Dillon Wong, Andrey Shytov, Víctor Brar, Sangkook Choi, Qiong Wu, Hsin-Zon Tsai, William Regan, Alex Zettl, Roland Kawakami, Steven Louie, y Leonid Levitov.

Con origen en las ideas del pionero de la mecánica cuántica Paul Dirac, La teoría del colapso atómico sostiene que cuando la carga eléctrica positiva de un núcleo atómico superpesado supera un umbral crítico, el fuerte campo de Coulomb resultante hace que un electrón cargado negativamente pueble un estado en el que el electrón desciende en espiral hacia el núcleo y luego se aleja nuevamente, emitiendo un positrón (un electrón cargado positivamente) en el proceso. Este estado electrónico altamente inusual es una desviación significativa de lo que sucede en un átomo típico, donde los electrones ocupan órbitas circulares estables alrededor del núcleo.

"Los físicos nucleares han intentado observar el colapso atómico durante muchas décadas, pero nunca vieron sin ambigüedades el efecto porque es muy difícil hacer y mantener los núcleos supergrandes necesarios, ", Dice Crommie." El grafeno nos ha dado la oportunidad de ver un análogo de materia condensada de este comportamiento, dado que la naturaleza relativista extraordinaria de los electrones en el grafeno produce un umbral de carga nuclear mucho más pequeño para crear los núcleos supercríticos especiales que exhibirán un comportamiento de colapso atómico ".

Quizás ningún otro material esté generando tanto entusiasmo por las nuevas tecnologías electrónicas como el grafeno, láminas de carbono puro de un solo átomo de espesor a través de las cuales los electrones pueden correr libremente 100 veces más rápido de lo que se mueven a través del silicio. Electrones que se mueven a través de la capa bidimensional de átomos de carbono del grafeno, que están dispuestos en una celosía de panal de abeja con patrón hexagonal, imitan perfectamente el comportamiento de partículas cargadas altamente relativistas sin masa. Super delgado, Super fuerte, superflexible y superrápido como conductor eléctrico, El grafeno ha sido promocionado como un potencial material maravilloso para una gran cantidad de aplicaciones electrónicas, comenzando con transistores ultrarrápidos.

En los últimos años, los científicos predijeron que las impurezas altamente cargadas en el grafeno deberían exhibir una resonancia electrónica única, una acumulación de electrones parcialmente localizados en el espacio y la energía, correspondiente al estado de colapso atómico de núcleos atómicos supergrandes. El verano pasado, el equipo de Crommie preparó el escenario para verificar experimentalmente esta predicción al confirmar que los electrones del grafeno en la vecindad de los átomos cargados siguen las reglas de la mecánica cuántica relativista. Sin embargo, la carga de los átomos en ese estudio aún no era lo suficientemente grande como para ver el escurridizo colapso atómico.

"Esos resultados, sin embargo, fueron alentadores e indicaron que deberíamos poder ver la misma física atómica con impurezas altamente cargadas en el grafeno que la física del colapso atómico predice para átomos aislados con núcleos altamente cargados, "Crommie dice". Es decir, Deberíamos ver un electrón que exhibe una trayectoria espiral hacia adentro semiclásica y un estado mecánico cuántico novedoso que es parcialmente similar a un electrón cerca del núcleo y parcialmente similar a un agujero lejos del núcleo. En el caso del grafeno, hablamos de 'agujeros' en lugar de los positrones que analizan los físicos nucleares ".

Para probar esta idea, Crommie y su grupo de investigación utilizaron un microscopio de túnel de barrido (STM) especialmente equipado en vacío ultra alto para construir, a través de la manipulación atómica, núcleos artificiales en la superficie de un dispositivo de grafeno con compuerta. Los "núcleos" eran en realidad grupos formados por pares, o dímeros, de iones de calcio. Con el STM, los investigadores juntaron los dímeros de calcio en un grupo, uno a uno, hasta que la carga total en el cúmulo se volvió supercrítica. Luego se utilizó la espectroscopía STM para medir las características espaciales y energéticas del estado electrónico de colapso atómico resultante alrededor de la impureza supercrítica.

"Los dímeros de calcio cargados positivamente en la superficie del grafeno en nuestros núcleos artificiales jugaron el mismo papel que juegan los protones en los núcleos atómicos regulares, ", Dice Crommie." Al exprimir suficiente carga positiva en un área suficientemente pequeña, pudimos imaginar directamente cómo se comportan los electrones alrededor de un núcleo a medida que la carga nuclear aumenta metódicamente por debajo del límite de carga supercrítica, donde no hay colapso atómico, por encima del límite de carga supercrítica, donde se produce el colapso atómico ".

Observar la física del colapso atómico en un sistema de materia condensada es muy diferente de observarlo en un colisionador de partículas, Dice Crommie. Mientras que en un colisionador de partículas la "prueba irrefutable" del colapso atómico es la emisión de un positrón del núcleo supercrítico, en un sistema de materia condensada, la pistola humeante es el inicio de un estado electrónico característico en la región cercana al núcleo supercrítico. Crommie y su grupo observaron este estado electrónico característico con núcleos artificiales de tres o más dímeros de calcio.

"La forma en que observamos el estado de colapso atómico en la materia condensada y lo pensamos es bastante diferente de cómo lo piensan los físicos nucleares y de alta energía y cómo han tratado de observarlo". pero el corazón de la física es esencialmente el mismo, "dice Crommie.

Si se quiere cumplir plenamente la inmensa promesa de los dispositivos electrónicos basados ​​en grafeno, Los científicos e ingenieros deberán lograr una mejor comprensión de fenómenos como este que involucran las interacciones de los electrones entre sí y con las impurezas en el material.

"Así como los estados donantes y aceptores juegan un papel crucial en la comprensión del comportamiento de los semiconductores convencionales, Los estados de colapso atómico también deberían desempeñar un papel similar en la comprensión de las propiedades de los defectos y los dopantes en los futuros dispositivos de grafeno. "Dice Crommie.

"Debido a que los estados de colapso atómico son los estados electrónicos más localizados posibles en el grafeno prístino, también presentan oportunidades completamente nuevas para explorar y comprender directamente el comportamiento electrónico en el grafeno ".