【摘要】 研究揭示骰子晶格量子点中原子塌陷的尺寸效应：边缘态杂化提升临界电荷，能隙态隧穿引发非单调依赖，为人工晶格设计提供理论支撑。

原子塌陷现象最初通过狄拉克方程在超重核（Z>170）附近电子行为的研究被揭示。当核电荷超过临界值时，库仑场中的基态会进入连续谱，引发电子-正电子对生成。近年来，二维材料（如石墨烯）中狄拉克锥的发现使该现象重获关注——其临界电荷降至Zcr/κ=1/2（κ为介电常数）。

 

​实验进展与技术突破​

通过扫描隧道显微镜（STM）技术（图1：STM探针诱导塌陷态示意图，alt="石墨烯空位原子塌陷的STM成像"），科学家在石墨烯杂质团簇和人工空位中观测到塌陷态。后续研究表明：

  • 垂直磁场可增强降维效应下的束缚态形成
  • 双层石墨烯因平缓能带使临界电荷显著降低
  • SrTiO₃材料供体团簇可通过尺寸调控临界点（图2：团簇尺寸-电荷关系图，alt="供体团簇尺寸与临界电荷关联曲线"）

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平带系统的新发现​

在具有平带特性的骰子晶格中：

1.无限晶格模型：库仑势使平带完全融于连续谱

2.有限量子点模型：束缚态与平带解耦，塌陷态源于上色散带

​关键机制​：边缘态与杂质束缚态杂化显著提升临界电荷值

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人工晶格的尺寸效应​

基于Lieber组开发的尖端诱导技术（图3：圆形p-n结制备流程，alt="STM尖端诱导量子点成形工艺"），我们构建圆形骰子晶格量子点，发现：

  • 样品尺寸（约10×10晶格）使边缘效应不可忽略
  • 边界条件决定能隙态数量，影响塌陷动力学
  • 填充电子的边缘态会隧穿至杂质束缚态，产生超前屏蔽效应

 

​量子点中的临界调控​

通过紧束缚模拟发现：

✅ 边缘位置可构建超临界势阱（图4：亚晶格势能分布，alt="量子点边缘/中心势阱对比"）

✅ 能隙内态填充诱发共振隧穿，临界电荷呈非单调尺寸依赖

✅ 空间量子化使小尺寸体系更难观测连续谱跃迁

 

​应用前景​

该机制在人工平带晶格（如s-p杂化结构）中具有显著优势：

  • 大晶格常数削弱电子关联作用
  • 单粒子效应更易观测
  • 为谷滤波、马约拉纳角态设计提供新路径

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结论​

骰子晶格量子点中原子塌陷的临界电荷受三重尺寸效应调控：

1.边缘态杂化提升临界值

2.能隙态填充诱发隧穿

3.空间量子化增强能隙
该发现为人工晶格中的电荷调控开辟新维度。

 

参考文献：1.Oriekhov D O, Voronov S O. Size effects on atomic collapse in the dice lattice[J]. Journal of Physics: Condensed Matter, 2023, 36(12): 125603.

 

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