來自美國伯克利大學的一組科學家首次觀測到了「原子坍塌(atomic collapse)」現象。這項發現成功驗證了相對論量子力學理論在70年前所作出的預言。
更為神奇的是，這一理論上本該發生在超大原子核周圍的現象，是藉助石墨烯這種一個原子厚度的二維材料的獨特結構中實現的，所以「它對於今後基於石墨烯的電子器件的發展，尤其是極小的納米器件的發展也有著深遠的意義。」此項研究領導者Crommie在接受採訪時，這樣對果殼網說。
加州大學伯克利分校物理學系的Mike Crommie教授與他觀測到的原子坍塌圖像
「原子坍塌」所說的並不是原子會碎一地。這一想法最早來自量子力學的奠基人之一保羅·狄拉克，它所描述的過程是：當超重原子核的所帶正電荷量超過一個臨界值時，產生的強庫侖力場會使得帶負電的電子進入一個新的量子態，這個狀態下的電子開始螺旋地向著原子核跌落然後又螺旋地繞出原子核，並在此過程中發射出一個正電子(帶正電荷的電子)。這種現象與我們熟知的、電子在繞核的圓軌道上運動的原子行為大相逕庭。
一般的電子繞原子核做圓周運動；但是超大原子核使得電子做螺線運動
「過去的幾十年裡一直有核物理學家嘗試去觀察這一現象但都沒有得到滿意的結果。這是因為要得到並維持一個超大原子核實在是太困難了。」Crommie說，「而石墨烯則提供了一個在凝聚態物質中觀察這一現象的機會。」
作為一張僅僅由碳原子鋪成的平面，石墨烯帶給我們的驚喜是在是太多了。電子在石墨烯中的移動速度是在矽中移動速度的100倍，高速使得它們表現出很強的相對論性質。這讓原子坍塌所要求的原子核電荷量也小了很多。這樣一來，當石墨烯中摻有帶大量電荷的雜質時，就會產生相當於原子坍塌的現象。Crommie的實驗組用掃描電鏡(STM)把石墨烯上的五個鈣二聚體(calcium dimers)放到一起，組成超大「原子核」，繼而通過STM來觀測由此產生的原子坍塌態——也就是電子螺旋地繞近又繞出原子核，並且有空穴的產生(對應於正電子)的現象。
「根據量子力學中的海森堡不確定原理，我們不可能觀測到一個電子運動的軌道。我們只能觀測電子出現在空間不同位置的概率分布，來推知電子所處的量子態。」Crommie教授在接受果殼網採訪時說道，「用一些數學上的方法我們可以根據電子的軌道推導出一個與這個軌道對應的量子態，並且從理論上(相對論量子力學)我們能夠知道這樣的量子態有著怎樣的能譜特徵和空間上的概率分布。我們用STM測得的能量和空間分布於理論的預測十分接近，這便是原子坍塌現象發生了的決定性證據。」
Crommie的小組通過STM觀測到的原子坍塌態的能量與空間分布
Crommie教授認為，原子坍塌對於理解石墨烯上缺陷與摻雜的作用就如同施主與受主原子對於理解傳統半導體工作原理的作用一樣。原子坍塌將會讓我們更好了解石墨烯上電子的運動規律，並為今後的石墨烯器件研髮帶來新的可能。
「我們現在正在研究多個原子坍塌態之間的相互作用，並且對多個電子參與原子坍塌態很感興趣。」Crommie對果殼網說，「當石墨烯器件的大小縮小到10納米左右時，原子坍塌現象將會大有作為。比如，如果把柵電極縮小到10納米放在石墨烯附近時，就會產生一些由原子坍塌才能解釋的效應。將來的納米器件很可能因此而增加許多新的功能。」