p A primeira observação experimental de um fenômeno da mecânica quântica que foi previsto há quase 70 anos tem implicações importantes para o futuro dos dispositivos eletrônicos baseados em grafeno. Trabalhando com núcleos atômicos artificiais microscópicos fabricados em grafeno, uma colaboração de pesquisadores liderados por cientistas com o Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (Berkeley Lab) e a Universidade da Califórnia (UC) Berkeley imaginaram os estados de "colapso atômico" teorizados para ocorrer em torno de núcleos atômicos supergrandes. p "O colapso atômico é um dos santo graal da pesquisa do grafeno, bem como um santo graal da física atômica e nuclear, "diz Michael Crommie, um físico que possui nomeações conjuntas com a Divisão de Ciências de Materiais do Laboratório de Berkeley e com o Departamento de Física da UC Berkeley. "Embora este trabalho represente uma confirmação muito boa das previsões básicas da mecânica quântica relativística feitas muitas décadas atrás, também é altamente relevante para futuros dispositivos em nanoescala, onde a carga elétrica é concentrada em áreas muito pequenas. "

p Crommie é o autor correspondente de um artigo que descreve este trabalho na revista Ciência . O artigo é intitulado "Observando ressonâncias de colapso atômico em núcleos artificiais de grafeno". Os co-autores são Yang Wang, Dillon Wong, Andrey Shytov, Victor Brar, Sangkook Choi, Qiong Wu, Hsin-Zon Tsai, William Regan, Alex Zettl, Roland Kawakami, Steven Louie, e Leonid Levitov.

p Originado das ideias do pioneiro da mecânica quântica Paul Dirac, a teoria do colapso atômico afirma que quando a carga elétrica positiva de um núcleo atômico superpesado ultrapassa um limite crítico, o campo de Coulomb forte resultante faz com que um elétron carregado negativamente povoe um estado em que o elétron desce em espiral para o núcleo e depois se afasta novamente, emitindo um pósitron (um elétron carregado positivamente) no processo. Este estado eletrônico altamente incomum é um desvio significativo do que acontece em um átomo típico, onde os elétrons ocupam órbitas circulares estáveis ​​ao redor do núcleo.

p "Os físicos nucleares tentaram observar o colapso atômico por muitas décadas, mas eles nunca viram o efeito de forma inequívoca, porque é muito difícil fazer e manter os núcleos supergrandes necessários, "Crommie diz." O grafeno nos deu a oportunidade de ver um análogo da matéria condensada desse comportamento, uma vez que a extraordinária natureza relativística dos elétrons no grafeno produz um limiar de carga nuclear muito menor para a criação de núcleos supercríticos especiais que exibirão comportamento de colapso atômico. "

p Talvez nenhum outro material esteja gerando tanto entusiasmo para novas tecnologias eletrônicas quanto o grafeno, folhas de carbono puro com apenas um átomo de espessura através das quais os elétrons podem correr livremente 100 vezes mais rápido do que se movem através do silício. Elétrons movendo-se através da camada bidimensional de átomos de carbono do grafeno, que são organizados em uma estrutura de favo de mel hexagonalmente padronizada, imitam perfeitamente o comportamento de partículas carregadas altamente relativísticas sem massa. Super fino, Super forte, superflexível, e super rápido como condutor elétrico, o grafeno tem sido apontado como um potencial material maravilhoso para uma série de aplicações eletrônicas, começando com transistores ultrarrápidos.

p Nos últimos anos, os cientistas previram que as impurezas altamente carregadas no grafeno deveriam exibir uma ressonância eletrônica única - um acúmulo de elétrons parcialmente localizados no espaço e na energia - correspondendo ao estado de colapso atômico de núcleos atômicos supergrandes. No verão passado, a equipe de Crommie preparou o terreno para verificar experimentalmente essa previsão, confirmando que os elétrons do grafeno nas proximidades dos átomos carregados seguem as regras da mecânica quântica relativística. Contudo, a carga nos átomos nesse estudo ainda não era grande o suficiente para ver o colapso atômico evasivo.

p "Esses resultados, Contudo, foram encorajadores e indicaram que deveríamos ser capazes de ver a mesma física atômica com impurezas altamente carregadas no grafeno como a física do colapso atômico previsto para átomos isolados com núcleos altamente carregados, "Crommie diz." Quer dizer, deveríamos ver um elétron exibindo uma trajetória espiral interna semiclássica e um novo estado mecânico quântico que é parcialmente semelhante a um elétron próximo ao núcleo e parcialmente semelhante a um buraco longe do núcleo. Para o grafeno, falamos sobre 'buracos' em vez dos pósitrons discutidos pelos físicos nucleares. "

p Para testar essa ideia, Crommie e seu grupo de pesquisa usaram um microscópio de tunelamento de varredura (STM) especialmente equipado em ultra-alto vácuo para construir, via manipulação atômica, núcleos artificiais na superfície de um dispositivo de grafeno fechado. Os "núcleos" eram na verdade aglomerados formados por pares, ou dímeros, de íons de cálcio. Com o STM, os pesquisadores reuniram dímeros de cálcio em um cluster, um por um, até que a carga total no cluster se tornasse supercrítica. A espectroscopia STM foi então usada para medir as características espaciais e energéticas do estado eletrônico de colapso atômico resultante em torno da impureza supercrítica.

p "Os dímeros de cálcio carregados positivamente na superfície do grafeno em nossos núcleos artificiais desempenharam o mesmo papel que os prótons desempenham nos núcleos atômicos regulares, "Crommie diz." Ao apertar carga positiva suficiente em uma área suficientemente pequena, fomos capazes de obter imagens diretas de como os elétrons se comportam em torno de um núcleo à medida que a carga nuclear é metodicamente aumentada abaixo do limite de carga supercrítica, onde não há colapso atômico, acima do limite de carga supercrítica, onde ocorre o colapso atômico. "

p Observar a física do colapso atômico em um sistema de matéria condensada é muito diferente de observá-la em um colisor de partículas, Crommie diz. Considerando que em um colisor de partículas a evidência "arma fumegante" do colapso atômico é a emissão de um pósitron do núcleo supercrítico, em um sistema de matéria condensada, a arma fumegante é o início de um estado eletrônico de assinatura na região próxima ao núcleo supercrítico. Crommie e seu grupo observaram esse estado eletrônico exclusivo com núcleos artificiais de três ou mais dímeros de cálcio.

p "A maneira como observamos o estado de colapso atômico na matéria condensada e pensamos sobre isso é muito diferente de como os físicos nucleares e de alta energia pensam sobre isso e como tentaram observá-lo, mas o cerne da física é essencialmente o mesmo, "diz Crommie.

p Se a imensa promessa de dispositivos eletrônicos baseados em grafeno for totalmente realizada, cientistas e engenheiros precisarão compreender melhor fenômenos como esse, que envolvem as interações dos elétrons entre si e com as impurezas do material.

p "Assim como os estados doador e aceitador desempenham um papel crucial na compreensão do comportamento dos semicondutores convencionais, da mesma forma, os estados de colapso atômico devem desempenhar um papel semelhante na compreensão das propriedades de defeitos e dopantes em futuros dispositivos de grafeno, "Crommie diz.

p "Como os estados de colapso atômico são os estados eletrônicos mais altamente localizados possíveis no grafeno puro, eles também apresentam oportunidades completamente novas para explorar e compreender diretamente o comportamento eletrônico do grafeno. "