Snapshot af ædelgasatomer dukker op inde fra en grafensandwich – Physics World

Forskere ved universiteterne i Wien, Østrig og Helsinki, Finland har fanget de første direkte billeder af klynger af stuetemperatur ædelgasatomer ved at indeslutte dem i en "sandwich" lavet af to lag grafen. Billederne er taget ved hjælp af et transmissionselektronmikroskop, og de kan hjælpe med grundlæggende forskning i kondenseret stoffysik og kan have anvendelser inden for kvanteteknologi.

Ledet af fysiker Jani Kotakoski, tog holdet billederne, mens de studerede, hvordan stråling ændrer egenskaberne af grafen (et ark kulstof, der kun er et atom tykt) og andre todimensionelle materialer, der holdes sammen af ​​svage van der Waals-interaktioner. Forskerne bemærkede, at når de brugte ædelgasioner til at bestråle en prøve af flerlagsgrafen, kunne ionerne blive fanget mellem to ark af materialet. For at dette kunne ske, skulle energien fra de bestrålende ioner være helt rigtig: hurtig nok til at passere gennem det første ark, men ikke det andet.

"Det lykkedes os at gøre dette ved at implantere ædelgas-ionerne i de flerlagede strukturer," forklarer teammedlem Manuel Längle, der begyndte arbejder på dette projekt under sit kandidatspeciale i slutningen af ​​2017. "Hvis vi finder de implanterede ioner i en fem-lags, men ikke en to-lags prøve, ved vi, at energien er for høj."

I deres arbejde, som er udgivet i Natur Materialer, undersøgte forskerne krypton- og xenonionklynger ved hjælp af scanningstransmissionselektronmikroskopi (STEM). De fandt ud af, at for krypton-bestrålede prøver fandt vellykket implantation mellem to grafenlag sted ved 60 eV. For xenon-bestrålede prøver var "sweet spot" mellem 55 eV og 65 eV.

Tætpakkede todimensionelle nanoklynger

Fordi ædelgasser for det meste er inerte og sjældent danner kemiske bindinger, kan atomerne bevæge sig frit omkring i deres grafensandwich. I visse områder kan to eller flere atomer imidlertid komme sammen og danne regulære, tætpakkede todimensionelle nanoklynger. Disse nanoklynger er et glimrende teststed for undersøgelser af meget svagt interagerende systemer.

Forskerne fandt ud af, at klynger af xenon bestående af op til 100 atomer opfører sig som faste systemer, men at kryptonklynger, der indeholder så få som 16 atomer, nogle gange viser væskelignende adfærd. Selvom de endnu ikke forstår hvorfor, siger de, at resultatet kan åbne et nyt studiefelt med fokus på indkapslede van der Waal-materialer.

Enkelte atomer svømmer inde i en grafensandwich

 Ifølge Längle og Kotakoskiapplikationer for disse strukturer er vanskelige at forudsige på nuværende tidspunkt. Men da ædelgasser rutinemæssigt anvendes i lyskilder og lasere, kan de have en vis fremtidig brug i kvanteinformationsteknologi.

 Ser fremad Wien-Helsinki-holdet planlægger nu at gentage eksperimenterne ved forskellige temperaturer og tryk. "Vi planlægger også at studere blandinger af gasser og undersøge forskellige todimensionelle materialer som hexagonalt bornitrid (nogle gange kaldet 'grafens fætter') eller flerlagsstrukturer," fortæller Längle Fysik verden.