石墨烯作为最早被发现的二维材料，其载流子是具有相对论性的无质量狄拉克费米子。基于此，量子电动力学在高能物理中很多新奇的理论预测，例如克莱因隧穿效应和原子坍塌态，都可以在石墨烯中实现。例如，前期的工作报道了在圆形受限电势中验证了石墨烯中无质量狄拉克费米子的克莱因隧穿效应，并且由于其准粒子的各向异性隧穿特性，石墨烯中无质量狄拉克费米子会通过回音壁模式（WGM）形成准束缚态。而关于原子坍塌态(ACS)的研究，在真实原子中需要合成的原子核带正电量大于170才能实现，实验上存在巨大困难，因此一直没有实现。由于石墨烯中无质量狄拉克费米子的“小”速度（1/300光速），在石墨烯中只需要点电荷Z ≥ 1就会导致在其周围形成原子坍塌态。一直以来科学家们普遍认为石墨烯量子点中回音壁模式准束缚态和点电荷附近的原子坍塌态起源于两种不同的物理机制，只能在两种不同的系统里实现。北京师范大学何林教授课题组和北京大学孙庆丰教授课题组密切合作，在一个体系里同时实现了回音壁模式准束缚态和原子坍塌态，证明两者可以在一个体系中共存。
实验上，何林教授课题组通过构筑石墨烯/WSe2异质结量子点在石墨烯中产生圆形库仑状静电势。他们通过扫描隧道谱学测量发现库仑状静电势在石墨烯量子点中心产生了原子坍塌态；与点电荷非常小的截断半径不同，他们发现量子点较大的截断半径导致在量子点边缘产生了回音壁模式准束缚态，证明了这两种准束缚态可以在一个体系中共存。此外，量子点较大的截断半径也提供了一个绝佳的研究平台来探索高磁场下原子坍塌态的行为。虽然关于磁场对原子坍塌态影响的研究具有悠久的历史，但相应的理论结果却存在两种不同的观点，在学术界存在很大的争议。更重要的是，由于点电荷极小的截断半径，开展相关实验需要极大的磁场，因此迄今为止仍然缺乏相关研究的实验报道。何林教授课题组系统测量了从零场原子坍塌态到强磁场下朗道能级的演化，和孙庆丰教授课题组的理论结果非常好的吻合（图2），相关结果证明了在磁场下原子塌缩共振效应仍然存在。
相关成果以“Coexistence of electron whispering-gallery modes and atomic collapse states in graphene/WSe2 heterostructure quantum dots”为题刊发在国际期刊《Nature communication》上。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。
这项工作得到了国家自然科学基金委、国家重点研究计划、以及北京师范大学和北京大学的经费支持。
图1 在石墨烯/WSe2异质结量子点中观察到WGM和ACS共存，以及相应的理论模拟。
图2 量子点中心态密度随磁场的演化（红点），以及基于实验参数模拟的ACS随磁场的演化（黄蓝背景）。
详情信息：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. Vol: 13, 1597 (2022).
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-29251-2