Un'istantanea di atomi di gas nobile emerge dall'interno di un sandwich di grafene – Physics World

Gli scienziati delle Università di Vienna, Austria e Helsinki, Finlandia hanno catturato le prime immagini dirette di gruppi di atomi di gas nobile a temperatura ambiente confinandoli in un “sandwich” costituito da due strati di grafene. Scattate utilizzando un microscopio elettronico a trasmissione, le immagini potrebbero aiutare la ricerca fondamentale sulla fisica della materia condensata e potrebbero avere applicazioni nella tecnologia quantistica.

Guidato dal fisico Jani Kotakoski, il team ha ottenuto le immagini mentre studiava come la radiazione modifica le proprietà del grafene (un foglio di carbonio spesso solo un atomo) e di altri materiali bidimensionali tenuti insieme da deboli interazioni di van der Waals. Gli scienziati hanno notato che quando utilizzavano ioni di gas nobile per irradiare un campione di grafene multistrato, gli ioni potevano rimanere intrappolati tra due fogli di materiale. Perché ciò accadesse, l'energia degli ioni irradianti doveva essere quella giusta: abbastanza veloce da attraversare il primo foglio, ma non il secondo.

“Siamo riusciti a farlo impiantando gli ioni del gas nobile nelle strutture multistrato”, spiega un membro del team Manuel Längle, che ha iniziato lavorando a questo progetto durante la sua tesi di master alla fine del 2017. “Se troviamo gli ioni impiantati in un campione a cinque strati ma non in uno a due strati, sappiamo che l’energia è troppo alta”.

Nel loro lavoro, pubblicato in Natura Materiali, i ricercatori hanno studiato i cluster di ioni kripton e xeno utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione a scansione (STEM). Hanno scoperto che per i campioni irradiati con krypton, l’impianto riuscito tra due strati di grafene si è verificato a 60 eV. Per i campioni irradiati con xeno, il “punto debole” era compreso tra 55 eV e 65 eV.

Nanocluster bidimensionali densamente impaccati

Poiché i gas nobili sono per lo più inerti e raramente formano legami chimici, gli atomi possono muoversi liberamente all’interno del loro sandwich di grafene. In alcune regioni, tuttavia, due o più atomi possono unirsi e formare nanocluster bidimensionali regolari e densamente imballati. Questi nanocluster costituiscono un eccellente banco di prova per studi di sistemi che interagiscono molto debolmente.

I ricercatori hanno scoperto che gli ammassi di xeno composti fino a 100 atomi si comportano come sistemi solidi, ma che gli ammassi di kripton contenenti solo 16 atomi a volte mostrano un comportamento simile a quello dei fluidi. Sebbene non ne comprendano ancora il motivo, affermano che la scoperta potrebbe aprire un nuovo campo di studio incentrato sui materiali di van der Waal incapsulati.

Singoli atomi nuotano all'interno di un sandwich di grafene

 Secondo Längle e Kotakoski, al momento è difficile prevedere le applicazioni di queste strutture. Tuttavia, poiché i gas nobili vengono abitualmente utilizzati nelle sorgenti luminose e nei laser, potrebbero avere qualche utilizzo futuro nella tecnologia dell’informazione quantistica.

 Guardando avanti, il Il team di Vienna-Helsinki prevede ora di ripetere gli esperimenti a diverse temperature e pressioni. "Abbiamo anche in programma di studiare miscele di gas e di esaminare diversi materiali bidimensionali come il nitruro di boro esagonale (a volte chiamato 'cugino del grafene') o strutture multistrato", dice Längle Mondo della fisica.