Искусственные атомы в графене и их коллапс

На семинаре проведенном для сотрудников, аспирантов и студентов ВШЭ,  a также для всех желающих, научный руководитель Центра, профессор Пеетерс рассказал про очень интересный феномен – коллапс атомов

Это явление было предсказанно на основе теории электронов, предложенной Полем Дираком в далеком 1928 году. Согласно уравнению, названным его именем, очень тяжелые атомы в природе становятся нестабильны – электроны падают на атомное ядро. Происходит это потому, что из-за очень сильного кулоновского притяжения ядра электроны погружаются в позитронный континуум, вызывая спонтанную генерацию электрон-позитронных пар и потерю энергии. В реальном мире этот эффект никогда не наблюдался из-за того, что для него требуется слишком большой электрический заряд ядра. Однако, это явление можно наблюдать в графене (двумерной решетке из атомов углерода) для искусственно созданных атомов, причем, даже если заряд атомов достаточно мал. Именно поэтому графен является уникальным объектом, где можно проверить теорию Дирака, созданную для описания элементарных частиц с очень высокими энергиями и скоростями.
В своем докладе профессор Пеетерс обсудил возможность наблюдения коллапса искусственных атомов, полученных путем осаждения примесей на поверхность графена или созданием дефектов в его кристаллической решетке. Такие искусственные атомы могут захватывают электроны и удерживать их вокруг себя. Экспериментально этот захват можно наблюдать как спектральные линии в локальной плотности состояний вблизи атома.
 В результате такого коллапса двумерные атомные кристаллы графена могут потерять устойчивость, приводя к образованию так называемых сверхрешеткок. Потенциальная энергия таких сверхрешеток может быть описана, как аналог магнитного поля с периодической модуляцией. Образование сверхрешеток может привести к появнлению плоских электронных зон. Если уровень Ферми попадет в такую плоскую зону, например, путем легирования, то в системе образуются сильно коррелированные состояния с псевдощелью в электронном спектре.
 
Доклад профессора Пеетерса был основан на серии его работ, опубликованных в престижных журналах группы Nature :

Jinhai Mao, Yuhang Jiang, Dean Moldovan, Guohong Li, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Massoud
Ramezani Masir, Francois M. Peeters, and Eva Y. Andrei: Realization of a Tunable Artificial Atom at a Charged Vacancy in Graphene, Nature Physics 12, 545-550 (2016).

Yuhang Jiang, Jinhai Mao, Dean Moldovan, Massoud Ramezani Masir, Guohong Li, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Francois M. Peeters and Eva Y. Andrei: Tuning a Circular p-n Junction in Graphene from Quantum Confinement to Optical Guiding, Nature Nanotechnology 12, 1045-1050 (2017).

 Mao Jinhai, Milovanovic Slavisa, Andelkovic Misa, Lai Xinyuan, Cao Yang, Watanabe Kenji, Taniguchi Takashi, Covaci Lucian, Peeters Francois, Geim Andre, Jiang Yuhang, Andrei Eva: Evidence of flat bands and correlated states in buckled graphene superlattices, Nature 584, 7820 (2020).