物理规律由于其跨越尺度的相似性和统一性而常常引起科学家们深刻的思考。很多微观世界中的现象，甚至和宇宙尺度中的效应是由相同的物理规律主宰。一个非常具有代表性的例子就是：重原子的原子塌缩态（ACSs）和黑洞的霍金辐射都被预测在形成过程中会伴随耦合正反粒子的Klein隧穿效应产生 [1]。ACSs是量子电动力学最著名的预测之一，当原子核序数超过170时，就会形成原子坍缩态，在元素周期表上形成自然界限。在实验中，高原子序数的原子极为不稳定，因此在真实原子中实现ACSs仍然是一个巨大的挑战。石墨烯的相对论性狄拉克激发与其相对较小的费米速度（1/300光速）使其成为实现ACSs的理想平台（只需要点电荷Z ≥ 1）[2-4]。过去几年，在石墨烯中实现ACSs取得了巨大成功[5-8]。然而，Klein隧穿在ACSs形成过程中的重要作用在实验上仍然难以捉摸。前期，何林教授课题组与孙庆丰教授课题组密切合作，在实验上证明构筑的石墨烯/WSe2异质结量子点中同时存在ACSs和回音壁模式（WGMs，Klein散射引起的准束缚态）两种不同类型的准束缚态[8]。最近，两课题组再次通力合作，通过研究石墨烯/ WSe2异质结量子点中的分子塌缩态发现ACSs的反键轨道态能转化成WGMs，揭示了ACSs 和Klein 隧穿效应内在深刻的关联。

实验上，何林教授课题组利用扫描隧道显微镜系统研究了两个圆形石墨烯/WSe2异质结量子点的耦合行为。如图1所示，他们利用针尖操控技术控制两耦合量子点的距离，观察到了两个ACSs的反键轨道随着距离的靠近会慢慢演变成椭圆量子点中的WGM受限。他们还研究了单个椭圆量子点的行为（图2），发现其表现出和两个耦合圆形量子点相似的准束缚态特征，进一步地证实了他们的观点。基于何林教授课题组的实验结果，孙庆丰教授课题组进行了充分的理论模拟，完美地模拟了实验结果。他们的结果证明了ACSs和WGMs能够发生相互转化，揭示了两种准束缚态在本质上存在内在的关联，分别反映了Klein隧穿的透射部分和散射部分。

相关成果近日以“Molecular Collapse States in Graphene/WSe2 Heterostructure Quantum Dots”为题刊发在国际著名期刊《Physical Review Letters》上[9]。何林教授课题组博士生郑旗为第一作者，北京大学孙庆丰研究员课题组的博士生庄钰晨为该工作提供了理论计算，为文章的共同第一作者，北京大学的孙庆丰教授和北京师范大学的何林教授为本文通讯作者。参与本工作的还包括何林教授课题组的博士生任雅宁和闫超。

这项工作得到了国家自然科学基金委、科技部国家重点研究计划、以及北京师范大学经费支持。

图1 （a-c）两个相距较远圆形量子点耦合形成原子塌缩态的成键轨道和反键轨道。（d-e）通过针尖操控技术将两个圆形量子点靠近后形成的原子塌缩态成键轨道和反键轨道。

图2（a-d）椭圆量子点中不同准束缚态的实空间成像。Top panels展示的是实验测量结果，Bottom panels展示的是理论模拟结果。

[1]    M. K. Parikh, F. Wilczek, Hawking radiation as tunneling. Phys. Rev. Lett. 85, 5042 (2000).

[2]    A. V. Shytov, M. I. Katsnelson, L. S. Levitov, Vacuum Polarization and Screening of Supercritical Impurities in Graphene. Phys. Rev. Lett. 99, 236801 (2007).

[3]    A. V. Shytov, M. I. Katsnelson, L. S. Levitov, Atomic Collapse and Quasi–Rydberg States in Graphene. Phys. Rev. Lett. 99, 246802 (2007).

[4]    V. M. Pereira, J. Nilsson, A. H. Castro Neto, Coulomb Impurity Problem in Graphene. Phys. Rev. Lett. 99, 166802 (2007).

[5]    Y. Wang, D. Wong, A. V. Shytov, V. W. Brar, S. Choi, Q. Wu, H.-Z. Tsai, W. Regan, A. Zettl, R. K. Kawakami, S. G. Louie, L. S. Levitov, M. F. Crommie, Observing Atomic Collapse Resonances in Artificial Nuclei on Graphene. Science. 340, 734–737 (2013).

[6]    J. Mao, Y. Jiang, D. Moldovan, G. Li, K. Watanabe, T. Taniguchi, M. R. Masir, F. M. Peeters, E. Y. Andrei, Realization of a tunable artificial atom at a supercritically charged vacancy in graphene. Nature Phys. 12, 545–549 (2016).

[7]    Y. Jiang, J. Mao, D. Moldovan, M. R. Masir, G. Li, K. Watanabe, T. Taniguchi, F. M. Peeters, E. Y. Andrei, Tuning a circular p–n junction in graphene from quantum confinement to optical guiding. Nature Nanotech. 12, 1045–1049 (2017).

[8]    Q. Zheng, Y.-C. Zhuang, Q.-F. Sun, L. He, Coexistence of electron whispering-gallery modes and atomic collapse states in graphene/WSe2 heterostructure quantum dots. Nat Commun. 13, 1597 (2022).

[9]    Q. Zheng, Y. Zhuang, Y.-N. Ren, C. Yan, Q.-F. Sun*, L. He*, “Molecular collapse states in graphene/WSe2 heterostructure quantum dots” Phys. Rev. Lett. Vol: 130, 076202 (2023).

URL: https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.130.076202

DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.076202