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美英科學家最近在石墨烯(graphene)中觀察到原子崩塌(atomic collapse)，相對論性量子力學(relativistic quantum mechanics)在70年前即預測此現象的存在，但直至今日才在實驗中觀測到。此研究成果有助於瞭解石墨烯中缺陷與雜質所扮演的角色，對設計未來的奈米科技裝置而言十分重要。
在正常的原子中，電子會佔據波耳軌域(Bohr orbital)，而所謂波耳軌域可視為環繞原子核的穩定圓形軌道。不過，科學家預測一旦原子核電荷增加超過某一臨界值，電子將不再以圓形路徑運行，而是依螺旋狀朝原子核前進，之後再遠離。這類電子有機會脫離原子核束縛，而此行為便稱為原子崩塌。
原子崩塌態之所以重要原因如下：第一，相對論性量子力學已預測過此現象，而實驗證實有助於科學家更瞭解此基礎理論。再則，原子崩塌態的發現昭告了人造超大原子核(目前尚未實現)將面臨的下場。最後，崩塌態提供電子在高度集中的電荷近鄰(約10 nm)的確切行為資訊。對於製作需透過帶電摻質及高度侷域化閘極來控制電子行為的石墨烯元件來說，這些結果相當關鍵。
上述團隊包含了加州大學柏克萊分校與河濱分校、勞倫斯(Lawrence)柏克萊國家實驗室、麻省理工學院(MIT)與英國艾斯特(Exeter)大學。他們利用掃描式穿隧顯微鏡(STM)的探針尖端打造超臨界原子核，作法是將鈣原子散佈在石墨烯場效電晶體上，再稍微加熱元件使鈣原子配對形成較容易為探針操縱的二聚物。接著他們將二聚物推成簇，這些小簇的行為就像人造原子核。
團隊主持人Mike Crommie解釋，小簇中的每個鈣二聚物的地位猶如一般原子核中的質子。研究人員逐步增加原子核電荷量，同時利用STM直接觀察原子核附近電子行為。實驗中觀察到的原子崩塌態在空間與能量的特徵，符合相對論性量子力學的預測。
此研究成果對於未來製作大小為10 nm左右的石墨烯元件至為關鍵，因為在此尺度下原子崩塌特徵將變得極為重要。在這類元件中，單一缺陷或電荷摻質都可能對於元件行為產生巨大影響。Crommie進一步說明，如果摻質具有大量電荷時，元件行為將取決於原子崩塌態的物理特性。此效應也適用於尺寸小於10 nm且位在石墨烯附近的閘極。
該團隊目前正探討當多個人工原子核彼此接近時，多重交互作用原子崩塌缺陷的行為。他們也想瞭解當超過一個電子處於原子崩塌態時，電子之間的交互作用效應。詳見Science｜DOI: 10.1126/science.1234320。 |