«Атомный коллапс» в графене
 Фото из лаборатории, где впервые наблюдалось явление "атомного коллапса". (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Внутри, условно говоря, «нормального» атома электроны занимают орбитали Бора, которые можно рассматривать, как стабильные круговые орбиты вокруг ядра. Однако много лет назад ученые теоретически предсказали, что, если заряд атомного ядра будет увеличен до некоторого высокого значения (выше определенного порога), электроны больше не будут путешествовать по круговым траекториям. Вместо этого, их орбиты будут представлять собой спирали, сходящиеся к ядру, а затем расходящиеся снова. Подобные электроны имеют ненулевую вероятность потери связи с ядром (высвобождения). Это поведение получило название «атомного коллапса».
Состояние атомного коллапса важно для научного мира по нескольким причинам. Во-первых, оно предсказано релятивистской квантовой механикой. Соответственно, наблюдение его на эксперименте должно помочь ученым лучше понять эту базовую теорию. Во-вторых, атомный коллапс говорит нам, что случилось бы, если бы мы попытались создать атомы с очень большими ядрами (чего на самом деле не сделано). Наконец, распад состояния предоставляет точную информацию о том, как электроны в графене ведут себя на очень малых расстояниях (порядка 10 нм) от высококонцентрированного электростатического заряда. Как считают ученые, эта информация будет иметь решающее значение для создания наноустройств, в которых заряженные примеси или сильно локализованные электроды затвора могут использоваться для управления поведением электронов в самом графене.
Для изучения состояния атомного коллапса, группа ученых из University of California (США) вручную создала в графене (одноатомном слое углерода, выстроенного в двумерную гексагональную кристаллическую решетку) необходимые ядра с помощью зонда сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). На практике для этого потребовалось «рассыпать» на поверхности графенового полевого транзистора атомы кальция. После этого устройство нагревалось, так чтобы атомы кальция на его поверхности образовывали пары или димеры, которыми легче управлять при помощи СТМ, чем одним единственным атомом. Далее из димеров создавались отдельные мелкие кластеры, которые вели себя, как искусственные ядра, необходимые для экспериментальных целей. С помощью СТМ при этом ученые имели возможность наблюдать поведение электронов вокруг подобного кластера в ходе повышения его заряда сверх упомянутого критического порога.
Наблюдавшееся на эксперименте состояние атомного коллапса имело те же пространственные и энергетические характеристики, что предсказывала релятивистская квантовая механика. Но, кроме еще одного экспериментального подтверждения теории, ученые получили важные сведения для развития графеновых устройств будущего, которые будут уменьшены до масштабов порядка 10 нм, когда характеристики атомного коллапса могут иметь решающее значение. В таких устройствах одного атома примеси или дефекта заряда может быть достаточно для значительного влияния на общие свойства, поэтому дефекты и примеси могут намерено располагаться в устройствах, обеспечивая их настройку. Детали работы ученых опубликованы в журнале Science.
В настоящее время команда продолжает исследования, оценивая, как будет происходить атомный коллапс при нескольких взаимодействующих между собой дефектах. Кроме того, ученые заинтересованы в понимании деталей электрон-электронного взаимодействия при атомном коллапсе более чем одного электрона.
Также по теме:
- Ученые продемонстрировали возможности графена в роли туннельного барьера
- Графен поможет ученым ответить на вопрос об источнике «паразитного» шума
- Новый рекорд подвижности зарядов в двумерных пленках дисульфида молибдена
- Треугольгики из дисульфида вольфрама излучают свет
- Предложена конструкция искусственной мышцы из нанотрубок
Источники: