Στιγμιότυπο από άτομα ευγενούς αερίου αναδύεται μέσα από ένα σάντουιτς γραφενίου - Physics World

Επιστήμονες στα Πανεπιστήμια της Βιέννης, της Αυστρίας και του Ελσίνκι της Φινλανδίας απαθανάτισαν τις πρώτες άμεσες εικόνες συστάδων ατόμων ευγενούς αερίου σε θερμοκρασία δωματίου περιορίζοντας τα σε ένα «σάντουιτς» κατασκευασμένο από δύο στρώματα γραφενίου. Λαμβάνονται με χρήση ηλεκτρονικού μικροσκοπίου μετάδοσης, οι εικόνες θα μπορούσαν να βοηθήσουν στη θεμελιώδη έρευνα της φυσικής συμπυκνωμένης ύλης και ενδέχεται να έχουν εφαρμογές στην κβαντική τεχνολογία.

Με επικεφαλής τον φυσικό Jani Kotakoski, η ομάδα έλαβε τις εικόνες ενώ μελετούσε πώς η ακτινοβολία τροποποιεί τις ιδιότητες του γραφενίου (ένα φύλλο άνθρακα πάχους μόνο ενός ατόμου) και άλλων δισδιάστατων υλικών που συγκρατούνται μαζί από ασθενείς αλληλεπιδράσεις van der Waals. Οι επιστήμονες παρατήρησαν ότι όταν χρησιμοποίησαν ιόντα ευγενών αερίων για να ακτινοβολήσουν ένα δείγμα πολυστρωματικού γραφενίου, τα ιόντα θα μπορούσαν να παγιδευτούν ανάμεσα σε δύο φύλλα του υλικού. Για να συμβεί αυτό, η ενέργεια των ιόντων ακτινοβολίας έπρεπε να είναι ακριβώς η σωστή: αρκετά γρήγορη για να περάσει από το πρώτο φύλλο, αλλά όχι από το δεύτερο.

«Καταφέραμε να το κάνουμε αυτό εμφυτεύοντας τα ιόντα ευγενών αερίων στις πολυεπίπεδες δομές», εξηγεί το μέλος της ομάδας Manuel Längle, που ξεκίνησε εργαζόταν σε αυτό το έργο κατά τη διάρκεια της μεταπτυχιακής του διατριβής στα τέλη του 2017. «Αν βρούμε τα εμφυτευμένα ιόντα σε ένα δείγμα πέντε στρωμάτων αλλά όχι σε ένα δείγμα δύο στρωμάτων, ξέρουμε ότι η ενέργεια είναι πολύ υψηλή».

Στο έργο τους, το οποίο δημοσιεύεται στο Φύση Υλικά, οι ερευνητές μελέτησαν συστάδες ιόντων κρυπτονίου και ξένου χρησιμοποιώντας ηλεκτρονικό μικροσκόπιο μετάδοσης σάρωσης (STEM). Βρήκαν ότι για δείγματα ακτινοβολημένα με κρυπτόν, η επιτυχής εμφύτευση μεταξύ δύο στρωμάτων γραφενίου σημειώθηκε στα 60 eV. Για δείγματα ακτινοβολημένα με ξένον, το "γλυκό σημείο" ήταν μεταξύ 55 eV και 65 eV.

Πυκνά συσκευασμένα δισδιάστατα νανοσυμπλέγματα

Επειδή τα ευγενή αέρια είναι ως επί το πλείστον αδρανή και σπάνια σχηματίζουν χημικούς δεσμούς, τα άτομα μπορούν να κινούνται ελεύθερα μέσα στο σάντουιτς γραφενίου τους. Σε ορισμένες περιοχές, ωστόσο, δύο ή περισσότερα άτομα μπορούν να ενωθούν και να σχηματίσουν κανονικά, πυκνά συσκευασμένα δισδιάστατα νανοσυμπλέγματα. Αυτά τα νανοσυμπλέγματα αποτελούν μια εξαιρετική βάση δοκιμών για μελέτες συστημάτων πολύ ασθενούς αλληλεπίδρασης.

Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι οι συστάδες ξένου που αποτελούνται από έως και 100 άτομα συμπεριφέρονται σαν στερεά συστήματα, αλλά ότι οι συστάδες κρυπτών που περιέχουν μόλις 16 άτομα παρουσιάζουν μερικές φορές συμπεριφορά παρόμοια με το υγρό. Αν και δεν καταλαβαίνουν ακόμη γιατί, λένε ότι το εύρημα θα μπορούσε να ανοίξει ένα νέο πεδίο μελέτης που θα εστιάζεται σε ενθυλακωμένα υλικά van der Waal.

Μεμονωμένα άτομα κολυμπούν μέσα σε ένα σάντουιτς γραφενίου

 Σύμφωνα με τους Längle και Κοτακόσκι, οι εφαρμογές για αυτές τις δομές είναι δύσκολο να προβλεφθούν επί του παρόντος. Ωστόσο, δεδομένου ότι τα ευγενή αέρια χρησιμοποιούνται συνήθως σε πηγές φωτός και λέιζερ, ενδέχεται να έχουν κάποια μελλοντική χρήση στην κβαντική τεχνολογία πληροφοριών.

 Ανυπομονώντας, το Η ομάδα Βιέννης-Ελσίνκι σχεδιάζει τώρα να επαναλάβει τα πειράματα σε διαφορετικές θερμοκρασίες και πιέσεις. «Σκοπεύουμε επίσης να μελετήσουμε μίγματα αερίων και να εξετάσουμε διαφορετικά δισδιάστατα υλικά όπως το εξαγωνικό νιτρίδιο του βορίου (μερικές φορές αποκαλείται «ξάδελφος του γραφενίου») ή πολυεπίπεδες δομές», λέει ο Längle. Κόσμος Φυσικής.