תמונת מצב של אטומי גז אצילים מגיחה מתוך כריך גרפן - עולם הפיזיקה

מדענים באוניברסיטאות וינה, אוסטריה והלסינקי, פינלנד לכדו את התמונות הישירות הראשונות של צבירי אטומי גז אצילים בטמפרטורת החדר על ידי כלואם ב"כריך" העשוי משתי שכבות של גרפן. התמונות שצולמו באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים תמסורת, יכולות לסייע במחקר פיזיקאלי מהותי של חומר מעובה ועשויות להיות להן יישומים בטכנולוגיה קוונטית.

בהובלת פיזיקאי ג'אני קוטאקוסקי, הצוות השיג את התמונות תוך כדי מחקר כיצד קרינה משנה את התכונות של גרפן (יריעת פחמן בעובי של אטום אחד בלבד) וחומרים דו-ממדיים אחרים המוחזקים יחד על ידי אינטראקציות חלשות של ואן דר ואלס. המדענים שמו לב שכאשר השתמשו ביוני גז אצילים כדי להקרין דגימה של גרפן רב-שכבתי, היונים עלולות להילכד בין שתי יריעות של החומר. כדי שזה יקרה, האנרגיה של היונים המקרינים הייתה צריכה להיות בדיוק נכונה: מהירה מספיק כדי לעבור דרך הגיליון הראשון, אבל לא השני.

"הצלחנו לעשות זאת על ידי השתלת יוני הגז האצילים לתוך המבנים הרב-שכבתיים", מסביר חבר הצוות מנואל לאנגלה, שהתחיל עובד על פרויקט זה במהלך עבודת המאסטר שלו בסוף 2017. "אם אנו מוצאים את היונים המושתלים בדגימה בת חמש שכבות אך לא בדגימה דו-שכבתית, אנו יודעים שהאנרגיה גבוהה מדי."

בעבודתם, המתפרסמת ב טבע חומרים, החוקרים חקרו צבירי קריפטון וקסנון באמצעות מיקרוסקופיה של סריקת העברה אלקטרונית (STEM). הם גילו שעבור דגימות מוקרי קריפטון, השתלה מוצלחת בין שתי שכבות גרפן התרחשה ב-60 eV. עבור דגימות מוקרנות קסנון, ה"נקודה המתוקה" הייתה בין 55 eV ל-65 eV.

ננו-צבירים דו-ממדיים ארוזים בצפיפות

מכיוון שגזים אצילים הם לרוב אינרטיים ולעתים רחוקות יוצרים קשרים כימיים, האטומים יכולים לנוע בחופשיות בתוך כריך הגרפן שלהם. עם זאת, באזורים מסוימים, שני אטומים או יותר יכולים להתאחד וליצור ננו-צבירים דו-ממדיים רגילים, צפופים. ננו-צבירים אלו מהווים ערכת מבחן מצוינת למחקרים של מערכות בעלות אינטראקציה חלשה מאוד.

החוקרים גילו שצבירי קסנון המורכבים מ-100 אטומים מתנהגים כמו מערכות מוצקות, אך צבירי קריפטונים המכילים פחות מ-16 אטומים מראים לפעמים התנהגות דמוית נוזל. למרות שהם עדיין לא מבינים למה, הם אומרים שהממצא יכול לפתוח תחום מחקר חדש המתמקד בחומרים מובלעים של ואן דר ואל.

אטומים בודדים שוחים בתוך כריך גרפן

 על פי לאנגלה ו קוטאקוסקי, קשה לחזות יישומים עבור מבנים אלה כיום. עם זאת, מכיוון שגזים אצילים משמשים באופן שגרתי במקורות אור ובלייזרים, ייתכן שיהיה להם שימוש עתידי בטכנולוגיית מידע קוונטית.

 במבט קדימה, צוות וינה-הלסינקי מתכנן כעת לחזור על הניסויים בטמפרטורות ולחצים שונים. "אנחנו גם מתכננים לחקור תערובות של גזים ולבחון חומרים דו-ממדיים שונים כמו בורון ניטריד משושה (המכונה לפעמים 'בן דודו של גרפן') או מבנים רב-שכבתיים", אומר לאנגל. עולם הפיזיקה.