Schnappschuss von Edelgasatomen entsteht aus einem Graphen-Sandwich – Physics World

Wissenschaftler der Universitäten Wien (Österreich) und Helsinki (Finnland) haben die ersten direkten Bilder von Clustern von Edelgasatomen bei Raumtemperatur aufgenommen, indem sie diese in einem „Sandwich“ aus zwei Graphenschichten eingeschlossen haben. Die mit einem Transmissionselektronenmikroskop aufgenommenen Bilder könnten die Grundlagenforschung in der Physik der kondensierten Materie unterstützen und könnten in der Quantentechnologie Anwendung finden.

Unter der Leitung eines Physikers Jani KotakoskiDas Team erhielt die Bilder, während es untersuchte, wie Strahlung die Eigenschaften von Graphen (einer nur ein Atom dicken Kohlenstoffschicht) und anderen zweidimensionalen Materialien verändert, die durch schwache Van-der-Waals-Wechselwirkungen zusammengehalten werden. Die Wissenschaftler stellten fest, dass bei der Bestrahlung einer mehrschichtigen Graphenprobe mit Edelgasionen die Ionen zwischen zwei Schichten des Materials eingeschlossen werden könnten. Dazu musste die Energie der einstrahlenden Ionen genau richtig sein: schnell genug, um die erste Schicht zu durchdringen, nicht jedoch die zweite.

„Dies ist uns gelungen, indem wir die Edelgasionen in die mehrschichtigen Strukturen implantiert haben“, erklärt Teammitglied Manuel Längele, der begann arbeitete an diesem Projekt während seiner Masterarbeit Ende 2017. „Wenn wir die implantierten Ionen in einer fünfschichtigen, aber nicht in einer zweischichtigen Probe finden, wissen wir, dass die Energie zu hoch ist.“

In ihrer Arbeit, die in veröffentlicht wurde Natur MaterialienDie Forscher untersuchten Krypton- und Xenon-Ionencluster mithilfe der Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM). Sie fanden heraus, dass bei mit Krypton bestrahlten Proben eine erfolgreiche Implantation zwischen zwei Graphenschichten bei 60 eV erfolgte. Bei mit Xenon bestrahlten Proben lag der „Sweet Spot“ zwischen 55 eV und 65 eV.

Dicht gepackte zweidimensionale Nanocluster

Da Edelgase meist inert sind und selten chemische Bindungen eingehen, können sich die Atome innerhalb ihres Graphen-Sandwichs frei bewegen. In bestimmten Regionen können jedoch zwei oder mehr Atome zusammenkommen und regelmäßige, dicht gepackte zweidimensionale Nanocluster bilden. Diese Nanocluster eignen sich hervorragend für Untersuchungen sehr schwach wechselwirkender Systeme.

Die Forscher fanden heraus, dass sich Xenon-Cluster mit bis zu 100 Atomen wie feste Systeme verhalten, Krypton-Cluster mit nur 16 Atomen jedoch manchmal ein flüssigkeitsähnliches Verhalten zeigen. Obwohl sie noch nicht verstehen, warum, sagen sie, dass die Entdeckung ein neues Forschungsgebiet eröffnen könnte, das sich auf eingekapselte Van-der-Waal-Materialien konzentriert.

Einzelne Atome schwimmen in einem Graphen-Sandwich

 Laut Längle und KotakoskiAnwendungen dieser Strukturen sind derzeit schwer vorherzusagen. Da Edelgase jedoch routinemäßig in Lichtquellen und Lasern eingesetzt werden, könnten sie künftig in der Quanteninformationstechnologie Verwendung finden.

 Ich freue mich darauf, die Das Team aus Wien und Helsinki plant nun, die Experimente bei unterschiedlichen Temperaturen und Drücken zu wiederholen. „Wir planen auch, Gasmischungen zu untersuchen und verschiedene zweidimensionale Materialien wie hexagonales Bornitrid (manchmal auch ‚Cousin von Graphen‘ genannt) oder mehrschichtige Strukturen zu untersuchen“, erzählt Längle Physik-Welt.