Ameerika Energeetikaministeeriumi Berkeley nimelise laboratooriumi ning California Berkeley Ülikooli teadlased valmistasid grafeeni pinnale kriitilise laenguga tuuma, millel jälgiti 70 aastat tagasi kvantmehaanika seadustega ennustatud aatomkollalpsi (atomic collapse). Katsega tõestati, et kollaps toimub väga suurte aatomtuumade läheduses.
Kunstlik aatomi tuum, mis on kokku pandud viiest kaltsiumiooni dimeerist.
„Aatomkollaps on üks grafeeni uurivate teadlaste ning aatomi-ja tuumafüüsikute pühasid kraale,“ piltlikustas Ameerika Energeetikaministeeriumi teadlane Michael Crommie. „Meie töö kinnitas relativistliku kvantmehaanika raames tehtud teoreetilise ennustuse, mis evib tuleviku nanoseadmete valmistamise teooriale ulatuslikku mõju.“
Teadustöö pealkirjaga „Observing Atomic Collapse Resonances in Artificial Nuclei of Graphene“ avaldati ajakirjas Science.
Kvantmehaanilise kollapsi idee esitas kvantmehaanika üks rajajaid Paul Dirac. Piisavalt raske ja positiivselt laetud aatomi tuuma korral võib juhtuda, et tugeva Coulombi potentsiaali toimel siirdub aatomi elektronkatte elektron tuuma ning eraldub sealt pärast positroni kiirgumist. Sündmus on äärmiselt ebatõenäoline ning kaugel stabiilses aatomis toimuvast.
„Tuumafüüsikud on üritanud aatomi kollapsi jälgida aastakümneid. Ülisuurte tuumade loomine ja alal hoidmine on aga keeruline,“ seletas Crommie. „Praktikute tagataskus on aga trikk. Kriitiliselt raske tuuma analoogi saab valmistada grafeeni pinnale, sest selle elektronid on relativistlikud ning neid saab tihedalt ühte punkti koondada.“
Grafeen on uudiselektroonika arendajatele enim huvipakkuv komponent, millest räägitakse ülivõrretes: üliõhuke, ülitugev, ülipainduv ja ülihea elektrijuht. Ühe aatomkihi paksuses kärgjas süsinikvõres liikuvad elektronid 100 korda kiiremini kui ränipooljuhis. Grafeeni elektronid matkivad massita relativistlikke laetud osakesi.
Mitterelativistlikud elektronid tiirlevad mittekriitiliselt laetud tuuma ümber klassikalistel Bohri orbiitidel. Ent kui tuuma laeng ületab kriitilise väärtuse Zc, muutub elektronide trajektoor semiklassikaliseks. Elektroni orbiidi raadius hääbub ning laengukandja satub tuuma.
Töörühmale andsid indu viimaste aastate teadustööd. Nad teadsid, et grafeenile paigutatud suure laenguga aatomid peaks ilmutama unikaalse elektronresonantsi, et resonants põhjustaks elektronide koondumise väiksesse ruumipunkti. Töörühm aimas, et nii oleks võimalik aatomi kollapsi jäljendada. Eelmisel suvel kinnitas Crommie katseliselt, et laetud aatomite läheduses olevad elektronid on relativistlikud. Ent nendes katsetes ei olnud võõraatomite laeng kollapsi esinemiseks piisavalt suur.
„Varased tulemused olid julgustavad. Ennustasime, on võimalik jälgida semiklassikalise orbiidiga elektroni, mis liigub tuuma ning põhjustab ainulaadse kvantmehaanilise tuuma oleku. Semiklassikaline elektron on tuuma läheduses osaliselt elektronisarnane ning tuumast kaugemalt otsekui auklaeng. Materjaliteadlased kasutavad grafeeni puhul terminit auk, tuumafüüsikud aga nimetavad seda klassikaliselt positroniks,“ ütles Crommie.
Crommie töörühm kasutas kunsttuuma valmistamiseks spetsiaalset kõrge vaakumi keskkonnas töötavat skaneerivat tunnelmikroskoopi. Mikroskoopi kasutati esmalt grafeeni pinnale tekitatud kaltsiumdimeeride kokku lükkamiseks, seejärel aga spektroskoobina ning tuuma kollapsi ruumiliste ning energeetiliste suuruste mõõteriistana. Kunsttuumad valmistati grafeeni pinnale kolmest või enamast kaltsiumi dimeerist.
„Positiivse laenguga kaltsiumi dimeerid omavad kunsttuumas sama rolli, mida prootonid päristuumaski,“ ütles Crommie. „Piisava hulga positiivse laengu paigutamisel väiksesse ruumipiirkonda saame otsese pildi elektronide dünaamikast ümber tuuma, mille laeng ajas kasvab. Seega suudame jälgida kollapsi evolutsiooni.“
Võrreldes kiirendifüüsikaga kasutatakse tahkisefüüsikas aatomkollapsi kirjeldamiseks küllaltki erinevaid meetodeid. Kiirendi annab pärast osakeste põrkumist uuritavaks objektiks nn. suitseva püssitoru. Kollapsi signaaliks on siis positroni emissioon. Tahkisefüüsikas on tossavaks püssitoruks kollapsit signeeriva elektronorbitaali tekkimine.
„Viis, kuidas me aatomi kollapsit tahkisefüüsikas jälgime ning selle üle arutleme on kõrge energia osakeste füüsikast oluliselt erinev. Maailmapilt on aga sama. Sellest hoolimata on tegemist tähtsa avastusega mõlema teadussuuna esindajate jaoks,“ lisas Crommie.
Allikas: Phys.org
Leave a Reply