La prima osservazione sperimentale di un fenomeno quantomeccanico previsto quasi 70 anni fa ha importanti implicazioni per il futuro dei dispositivi elettronici a base di grafene. Lavorando con microscopici nuclei atomici artificiali fabbricati su grafene, una collaborazione di ricercatori guidati da scienziati con il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e l'Università della California (UC) Berkeley hanno immaginato gli stati del "collasso atomico" teorizzati che si verificano attorno a nuclei atomici super-grandi.

"Il collasso atomico è uno dei santi graal della ricerca sul grafene, così come un Santo Graal della fisica atomica e nucleare, "dice Michael Crommie, un fisico che ricopre incarichi congiunti con la divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab e il dipartimento di fisica della UC Berkeley. "Mentre questo lavoro rappresenta una conferma molto bella delle previsioni di base della meccanica quantistica relativistica fatte molti decenni fa, è anche molto importante per i futuri dispositivi su scala nanometrica in cui la carica elettrica è concentrata in aree molto piccole".

Crommie è l'autore corrispondente di un articolo che descrive questo lavoro sulla rivista Scienza . Il documento è intitolato "Osservazione delle risonanze del collasso atomico nei nuclei artificiali sul grafene". I coautori sono Yang Wang, Dillon Wong, Andrey Shytov, Victor Bra, Sangkook Choi, Qiong Wu, Hsin-Zon Tsai, William Regan, Alex Zettl, Roland Kawakami, Steven Louie, e Leonid Levitov.

Nato dalle idee del pioniere della meccanica quantistica Paul Dirac, La teoria del collasso atomico sostiene che quando la carica elettrica positiva di un nucleo atomico super pesante supera una soglia critica, il forte campo di Coulomb risultante fa sì che un elettrone caricato negativamente popoli uno stato in cui l'elettrone scende a spirale verso il nucleo e poi si allontana di nuovo a spirale, emettendo un positrone (un elettrone con carica positiva) nel processo. Questo stato elettronico altamente insolito è un allontanamento significativo da ciò che accade in un tipico atomo, dove gli elettroni occupano orbite circolari stabili attorno al nucleo.

"I fisici nucleari hanno cercato di osservare il collasso atomico per molti decenni, ma non hanno mai visto l'effetto inequivocabilmente perché è così difficile creare e mantenere i nuclei super-grandi necessari, " Crommie dice. "Il grafene ci ha dato l'opportunità di vedere un analogo della materia condensata di questo comportamento, poiché la straordinaria natura relativistica degli elettroni nel grafene produce una soglia di carica nucleare molto più piccola per creare gli speciali nuclei supercritici che mostreranno un comportamento di collasso atomico".

Forse nessun altro materiale sta attualmente generando tanto entusiasmo per le nuove tecnologie elettroniche quanto il grafene, fogli di puro carbonio dello spessore di un solo atomo attraverso i quali gli elettroni possono correre liberamente 100 volte più velocemente di quanto si muovano attraverso il silicio. Elettroni che si muovono attraverso lo strato bidimensionale di atomi di carbonio del grafene, che sono disposti in un reticolo a nido d'ape esagonale, imitano perfettamente il comportamento di particelle cariche altamente relativistiche senza massa. Supersottile, fortissimo, superflessibile, e superveloce come conduttore elettrico, il grafene è stato pubblicizzato come un potenziale materiale meraviglioso per una serie di applicazioni elettroniche, a partire dai transistor ultraveloci.

Negli ultimi anni gli scienziati hanno previsto che le impurità altamente cariche nel grafene dovrebbero esibire una risonanza elettronica unica - un accumulo di elettroni parzialmente localizzati nello spazio e nell'energia - corrispondente allo stato di collasso atomico dei nuclei atomici super-grandi. L'estate scorsa il team di Crommie ha posto le basi per verificare sperimentalmente questa previsione confermando che gli elettroni del grafene in prossimità degli atomi carichi seguono le regole della meccanica quantistica relativistica. Però, la carica sugli atomi in quello studio non era ancora abbastanza grande da vedere l'inafferrabile collasso atomico.

"Quei risultati, però, erano incoraggianti e indicavano che dovremmo essere in grado di vedere la stessa fisica atomica con impurità altamente cariche nel grafene come la fisica del collasso atomico prevista per atomi isolati con nuclei altamente carichi, "Crommie dice. "Vale a dire, dovremmo vedere un elettrone che mostra una traiettoria a spirale semiclassica verso l'interno e un nuovo stato quantomeccanico che è parzialmente simile all'elettrone vicino al nucleo e parzialmente simile a una lacuna lontano dal nucleo. Per il grafene si parla di 'buchi' invece dei positroni discussi dai fisici nucleari".

Per testare questa idea, Crommie e il suo gruppo di ricerca hanno utilizzato un microscopio a scansione a effetto tunnel (STM) appositamente attrezzato nel vuoto ultra spinto per costruire, tramite manipolazione atomica, nuclei artificiali sulla superficie di un dispositivo di grafene gated. I "nuclei" erano in realtà ammassi formati da coppie, o dimeri, di ioni calcio. Con l'STM, i ricercatori hanno unito i dimeri di calcio in un cluster, uno per uno, fino a quando la carica totale nel cluster diventa supercritica. La spettroscopia STM è stata quindi utilizzata per misurare le caratteristiche spaziali ed energetiche dello stato elettronico del collasso atomico risultante attorno all'impurità supercritica.

"I dimeri di calcio caricati positivamente sulla superficie del grafene nei nostri nuclei artificiali hanno svolto lo stesso ruolo che i protoni svolgono nei normali nuclei atomici, " dice Crommie. "Spingendo una quantità sufficiente di carica positiva in un'area sufficientemente piccola, siamo stati in grado di immaginare direttamente come si comportano gli elettroni attorno a un nucleo mentre la carica nucleare viene metodicamente aumentata da sotto il limite di carica supercritica, dove non c'è collasso atomico, al di sopra del limite di carica supercritica, dove avviene il collasso atomico".

Osservare la fisica del collasso atomico in un sistema di materia condensata è molto diverso dall'osservarla in un collisore di particelle, Crommie dice. Mentre in un collisore di particelle la "pistola fumante" del collasso atomico è l'emissione di un positrone dal nucleo supercritico, in un sistema di materia condensata la pistola fumante è l'inizio di uno stato elettronico caratteristico nella regione vicino al nucleo supercritico. Crommie e il suo gruppo hanno osservato questo stato elettronico caratteristico con nuclei artificiali di tre o più dimeri di calcio.

"Il modo in cui osserviamo lo stato di collasso atomico nella materia condensata e ci pensiamo è molto diverso da come lo pensano i fisici nucleari e delle alte energie e da come hanno cercato di osservarlo, ma il cuore della fisica è essenzialmente lo stesso, "dice Crommie.

Se si vuole realizzare appieno l'immensa promessa dei dispositivi elettronici a base di grafene, scienziati e ingegneri dovranno ottenere una migliore comprensione di fenomeni come questo che coinvolgono le interazioni degli elettroni tra loro e con le impurità nel materiale.

"Proprio come gli stati donatori e accettori svolgono un ruolo cruciale nella comprensione del comportamento dei semiconduttori convenzionali, così anche gli stati di collasso atomico dovrebbero svolgere un ruolo simile nella comprensione delle proprietà dei difetti e dei droganti nei futuri dispositivi al grafene, " dice Cromi.

"Poiché gli stati di collasso atomico sono gli stati elettronici più altamente localizzati possibili nel grafene incontaminato, presentano anche opportunità completamente nuove per esplorare e comprendere direttamente il comportamento elettronico nel grafene".