Un instantané d’atomes de gaz rares émerge d’un sandwich au graphène – Physics World

Des scientifiques des universités de Vienne, en Autriche et d'Helsinki, en Finlande, ont capturé les premières images directes d'amas d'atomes de gaz rares à température ambiante en les confinant dans un « sandwich » constitué de deux couches de graphène. Prises à l'aide d'un microscope électronique à transmission, les images pourraient faciliter la recherche fondamentale en physique de la matière condensée et pourraient avoir des applications dans la technologie quantique.

Dirigé par un physicien Jani Kotakoski, l'équipe a obtenu les images en étudiant comment le rayonnement modifie les propriétés du graphène (une feuille de carbone d'un seul atome d'épaisseur) et d'autres matériaux bidimensionnels maintenus ensemble par de faibles interactions de Van der Waals. Les scientifiques ont remarqué que lorsqu’ils utilisaient des ions de gaz rares pour irradier un échantillon de graphène multicouche, les ions pouvaient rester piégés entre deux feuilles du matériau. Pour que cela se produise, l’énergie des ions irradiants devait être juste : suffisamment rapide pour traverser la première feuille, mais pas la seconde.

"Nous y sommes parvenus en implantant les ions de gaz nobles dans les structures multicouches", explique un membre de l'équipe. Manuel Längle, qui a commencé travaillant sur ce projet lors de son mémoire de maîtrise fin 2017. "Si nous trouvons les ions implantés dans un échantillon à cinq couches mais pas dans un échantillon à deux couches, nous savons que l'énergie est trop élevée."

Dans leur ouvrage publié dans Nature Matériaux, les chercheurs ont étudié les amas d'ions krypton et xénon en utilisant la microscopie électronique à transmission par balayage (STEM). Ils ont constaté que pour les échantillons irradiés au krypton, une implantation réussie entre deux couches de graphène se produisait à 60 eV. Pour les échantillons irradiés au xénon, le « point idéal » se situait entre 55 eV et 65 eV.

Nanoclusters bidimensionnels densément emballés

Étant donné que les gaz rares sont pour la plupart inertes et forment rarement des liaisons chimiques, les atomes peuvent se déplacer librement dans leur sandwich au graphène. Dans certaines régions, cependant, deux atomes ou plus peuvent se réunir et former des nanoamas bidimensionnels réguliers et densément peuplés. Ces nanoclusters constituent un excellent banc d'essai pour l'étude de systèmes à très faible interaction.

Les chercheurs ont découvert que les amas de xénon composés jusqu'à 100 atomes se comportent comme des systèmes solides, mais que les amas de krypton contenant aussi peu que 16 atomes présentent parfois un comportement semblable à celui d'un fluide. Bien qu’ils ne comprennent pas encore pourquoi, ils affirment que cette découverte pourrait ouvrir un nouveau champ d’étude axé sur les matériaux van der Waal encapsulés.

Des atomes simples nagent à l'intérieur d'un sandwich au graphène

 Selon Längle et Kotakoski, les applications de ces structures sont actuellement difficiles à prévoir. Cependant, étant donné que les gaz rares sont couramment utilisés dans les sources lumineuses et les lasers, ils pourraient avoir une utilité future dans la technologie de l’information quantique.

 Dans l'attente, le L'équipe Vienne-Helsinki prévoit désormais de répéter les expériences à différentes températures et pressions. "Nous prévoyons également d'étudier des mélanges de gaz et d'examiner différents matériaux bidimensionnels comme le nitrure de bore hexagonal (parfois appelé" cousin du graphène ") ou des structures multicouches", explique Längle. Monde de la physique.