La première observation expérimentale d'un phénomène de mécanique quantique qui a été prédit il y a près de 70 ans a des implications importantes pour l'avenir des dispositifs électroniques à base de graphène. Travailler avec des noyaux atomiques artificiels microscopiques fabriqués sur graphène, une collaboration de chercheurs dirigée par des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département de l'Énergie des États-Unis et de l'Université de Californie (UC) Berkeley a imaginé les états d'« effondrement atomique » supposés se produire autour de très gros noyaux atomiques.

"L'effondrement atomique est l'un des Saint Graal de la recherche sur le graphène, ainsi qu'un Saint Graal de la physique atomique et nucléaire, " dit Michael Crommie, un physicien qui occupe des postes conjoints avec la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et le département de physique de l'UC Berkeley. "Bien que ce travail représente une très belle confirmation des prédictions de base de la mécanique quantique relativiste faites il y a plusieurs décennies, il est également très pertinent pour les futurs dispositifs à l'échelle nanométrique où la charge électrique est concentrée dans de très petites zones."

Crommie est l'auteur correspondant d'un article décrivant ce travail dans la revue Science . L'article s'intitule "Observing Atomic Collapse Resonances in Artificial Nuclei on Graphene". Les co-auteurs sont Yang Wang, Dillon Wong, Andrey Shytov, Victor Brar, Sangkook Choi, Qiong Wu, Hsin-Zon Tsai, Guillaume Regan, Alex Zettl, Roland Kawakami, Steven Louie, et Léonid Levitov.

Issu des idées du pionnier de la mécanique quantique Paul Dirac, La théorie de l'effondrement atomique soutient que lorsque la charge électrique positive d'un noyau atomique super-lourd dépasse un seuil critique, le champ de Coulomb puissant qui en résulte amène un électron chargé négativement à peupler un état où l'électron descend en spirale jusqu'au noyau, puis s'éloigne à nouveau, émettant un positron (un électron chargé positivement) dans le processus. Cet état électronique très inhabituel est un écart significatif par rapport à ce qui se passe dans un atome typique, où les électrons occupent des orbites circulaires stables autour du noyau.

"Les physiciens nucléaires ont essayé d'observer l'effondrement atomique pendant de nombreuses décennies, mais ils n'ont jamais vu l'effet sans ambiguïté car il est si difficile de fabriquer et de maintenir les noyaux super-larges nécessaires, " dit Crommie. " Le graphène nous a donné l'occasion de voir une matière condensée analogue à ce comportement, puisque la nature relativiste extraordinaire des électrons dans le graphène donne un seuil de charge nucléaire beaucoup plus petit pour créer les noyaux supercritiques spéciaux qui présenteront un comportement d'effondrement atomique. »

Peut-être qu'aucun autre matériau ne suscite actuellement autant d'enthousiasme pour les nouvelles technologies électroniques que le graphène, feuilles de carbone pur d'un atome d'épaisseur à travers lesquelles les électrons peuvent librement courir 100 fois plus vite qu'ils ne se déplacent à travers le silicium. Des électrons se déplaçant à travers la couche bidimensionnelle d'atomes de carbone du graphène, qui sont disposés en un réseau en nid d'abeille à motif hexagonal, imiter parfaitement le comportement de particules chargées hautement relativistes sans masse. Super mince, super fort, superflexible, et ultrarapide comme conducteur électrique, le graphène a été présenté comme un matériau miracle potentiel pour une multitude d'applications électroniques, à commencer par les transistors ultrarapides.

Ces dernières années, les scientifiques ont prédit que les impuretés hautement chargées du graphène devraient présenter une résonance électronique unique - une accumulation d'électrons partiellement localisée dans l'espace et l'énergie - correspondant à l'état d'effondrement atomique des noyaux atomiques ultra-larges. L'été dernier, l'équipe de Crommie a préparé le terrain pour vérifier expérimentalement cette prédiction en confirmant que les électrons du graphène à proximité des atomes chargés suivent les règles de la mécanique quantique relativiste. Cependant, la charge sur les atomes dans cette étude n'était pas encore assez grande pour voir l'effondrement atomique insaisissable.

« Ces résultats, cependant, étaient encourageants et indiquaient que nous devrions être en mesure de voir la même physique atomique avec des impuretés hautement chargées dans le graphène que la physique d'effondrement atomique prédite pour des atomes isolés avec des noyaux hautement chargés, " dit Crommie. " C'est-à-dire, nous devrions voir un électron présentant une trajectoire semi-classique en spirale vers l'intérieur et un nouvel état de mécanique quantique qui est partiellement semblable à un électron près du noyau et partiellement semblable à un trou loin du noyau. Pour le graphène, nous parlons de « trous » au lieu des positons discutés par les physiciens nucléaires. »

Pour tester cette idée, Crommie et son groupe de recherche ont utilisé un microscope à effet tunnel (STM) spécialement équipé en ultra-vide pour construire, par manipulation atomique, noyaux artificiels à la surface d'un dispositif de graphène bloqué. Les "noyaux" étaient en fait des amas constitués de paires, ou dimères, d'ions calcium. Avec la STM, les chercheurs ont poussé les dimères de calcium ensemble dans un cluster, un par un, jusqu'à ce que la charge totale dans le cluster devienne supercritique. La spectroscopie STM a ensuite été utilisée pour mesurer les caractéristiques spatiales et énergétiques de l'état électronique d'effondrement atomique résultant autour de l'impureté supercritique.

"Les dimères de calcium chargés positivement à la surface du graphène dans nos noyaux artificiels ont joué le même rôle que les protons jouent dans les noyaux atomiques réguliers, " Dit Crommie. "En pressant suffisamment de charge positive dans une zone suffisamment petite, nous avons pu directement imaginer comment les électrons se comportent autour d'un noyau lorsque la charge nucléaire est méthodiquement augmentée en dessous de la limite de charge supercritique, où il n'y a pas d'effondrement atomique, au-dessus de la limite de charge supercritique, où se produit l'effondrement atomique."

Observer la physique de l'effondrement atomique dans un système de matière condensée est très différent de l'observer dans un collisionneur de particules, dit Crommie. Alors que dans un collisionneur de particules, la preuve "fumante" de l'effondrement atomique est l'émission d'un positon du noyau supercritique, dans un système de matière condensée, le pistolet fumant est le début d'un état électronique de signature dans la région proche du noyau supercritique. Crommie et son groupe ont observé cet état électronique de signature avec des noyaux artificiels de trois dimères de calcium ou plus.

"La manière dont nous observons l'état d'effondrement atomique dans la matière condensée et dont nous y pensons est assez différente de la façon dont les physiciens nucléaires et des hautes énergies le pensent et comment ils ont essayé de l'observer, mais le cœur de la physique est essentiellement le même, " dit Crommie.

Si l'immense promesse des appareils électroniques à base de graphène doit être pleinement réalisée, les scientifiques et les ingénieurs devront parvenir à une meilleure compréhension de phénomènes comme celui-ci qui impliquent les interactions des électrons entre eux et avec les impuretés dans le matériau.

"Tout comme les États donateurs et accepteurs jouent un rôle crucial dans la compréhension du comportement des semi-conducteurs conventionnels, de même, les états d'effondrement atomique devraient-ils jouer un rôle similaire dans la compréhension des propriétés des défauts et des dopants dans les futurs dispositifs au graphène, " dit Crommie.

"Parce que les états d'effondrement atomique sont les états électroniques les plus localisés possibles dans le graphène vierge, ils présentent également de toutes nouvelles opportunités pour explorer et comprendre directement le comportement électronique du graphène. »