لقطة لذرات الغاز النبيل تخرج من داخل شطيرة الجرافين – عالم الفيزياء

التقط علماء في جامعات فيينا والنمسا وهلسنكي بفنلندا أول صور مباشرة لمجموعات من ذرات الغاز النبيل في درجة حرارة الغرفة عن طريق حصرها في "شطيرة" مصنوعة من طبقتين من الجرافين. يمكن لهذه الصور، التي تم التقاطها باستخدام المجهر الإلكتروني النافذ، أن تساعد في الأبحاث الأساسية في فيزياء المواد المكثفة، وربما يكون لها تطبيقات في تكنولوجيا الكم.

بقيادة الفيزيائي جاني كوتاكوسكيحصل الفريق على الصور أثناء دراسة كيفية تعديل الإشعاع لخصائص الجرافين (صفيحة من الكربون بسمك ذرة واحدة فقط) والمواد الأخرى ثنائية الأبعاد المرتبطة ببعضها البعض من خلال تفاعلات فان دير فال الضعيفة. لاحظ العلماء أنه عندما استخدموا أيونات الغازات النبيلة لتشعيع عينة من الجرافين متعدد الطبقات، يمكن أن تصبح الأيونات محاصرة بين ورقتين من المادة. ولكي يحدث هذا، يجب أن تكون طاقة الأيونات المشعة صحيحة تمامًا: سريعة بما يكفي لتمرير عبر الطبقة الأولى، ولكن ليس الثانية.

يوضح عضو الفريق: "لقد نجحنا في القيام بذلك عن طريق زرع أيونات الغازات النبيلة في الهياكل متعددة الطبقات". مانويل لانجل، الذي بدأ العمل على هذا المشروع خلال رسالة الماجستير في أواخر عام 2017. "إذا وجدنا الأيونات المزروعة في عينة مكونة من خمس طبقات وليس في عينة مكونة من طبقتين، فإننا نعلم أن الطاقة عالية جدًا."

في أعمالهم التي نشرت في الطبيعة المواد قام الباحثون بدراسة مجموعات أيونات الكريبتون والزينون باستخدام المجهر الإلكتروني النافذ الماسح (STEM). ووجدوا أنه بالنسبة للعينات المشععة بالكريبتون، حدث زرع ناجح بين طبقتين من الجرافين عند 60 فولت. بالنسبة للعينات المشععة بالزينون، كانت "النقطة المثالية" تتراوح بين 55 و65 فولتًا.

مجموعات نانوية ثنائية الأبعاد ذات كثافة عالية

ونظرًا لأن الغازات النبيلة خاملة في الغالب ونادرًا ما تشكل روابط كيميائية، فيمكن للذرات أن تتحرك بحرية داخل شطيرة الجرافين الخاصة بها. ومع ذلك، في مناطق معينة، يمكن لذرتين أو أكثر أن تتجمع معًا وتشكل مجموعات نانوية منتظمة ومزدحمة بكثافة وثنائية الأبعاد. تُعد هذه العناقيد النانوية بمثابة اختبار ممتاز لدراسات الأنظمة ذات التفاعل الضعيف جدًا.

ووجد الباحثون أن مجموعات الزينون المكونة من ما يصل إلى 100 ذرة تتصرف مثل الأنظمة الصلبة، لكن مجموعات الكريبتون التي تحتوي على ما لا يقل عن 16 ذرة تظهر أحيانًا سلوكًا يشبه السوائل. وعلى الرغم من أنهم لم يفهموا السبب بعد، إلا أنهم يقولون إن هذا الاكتشاف قد يفتح مجالًا جديدًا للدراسة يركز على مواد فان دير فال المغلفة.

ذرات مفردة تسبح داخل شطيرة من الجرافين

 بحسب لانجل و كوتاكوسكيومن الصعب التنبؤ بتطبيقات هذه الهياكل في الوقت الحاضر. ومع ذلك، نظرًا لاستخدام الغازات النبيلة بشكل روتيني في مصادر الضوء والليزر، فقد يكون لها بعض الاستخدام المستقبلي في تكنولوجيا المعلومات الكمومية.

 نتطلع إلى ويخطط فريق فيينا-هلسنكي الآن لتكرار التجارب عند درجات حرارة وضغوط مختلفة. يقول لانجل: "نخطط أيضًا لدراسة مخاليط الغازات والنظر في مواد مختلفة ثنائية الأبعاد مثل نيتريد البورون السداسي (يُطلق عليه أحيانًا اسم "ابن عم الجرافين") أو الهياكل متعددة الطبقات". عالم الفيزياء.