Momentopname van edelgasatomen komt tevoorschijn vanuit een grafeensandwich – Physics World

Wetenschappers van de universiteiten van Wenen, Oostenrijk en Helsinki, Finland hebben de eerste directe beelden gemaakt van clusters van edelgasatomen op kamertemperatuur door ze op te sluiten in een ‘sandwich’ gemaakt van twee lagen grafeen. De beelden, gemaakt met behulp van een transmissie-elektronenmicroscoop, zouden fundamenteel natuurkundig onderzoek naar de gecondenseerde materie kunnen ondersteunen en zouden toepassingen kunnen hebben in de kwantumtechnologie.

Onder leiding van natuurkundige Jani Kotakoski, verkreeg het team de beelden terwijl ze bestudeerden hoe straling de eigenschappen verandert van grafeen (een laag koolstof van slechts één atoom dik) en andere tweedimensionale materialen die bij elkaar worden gehouden door zwakke van der Waals-interacties. De wetenschappers merkten dat wanneer ze edelgasionen gebruikten om een ​​monster meerlaags grafeen te bestralen, de ionen vast konden komen te zitten tussen twee lagen van het materiaal. Om dit te laten gebeuren, moest de energie van de bestralende ionen precies goed zijn: snel genoeg om door het eerste vel te gaan, maar niet door het tweede.

“Daar zijn we in geslaagd door de edelgasionen in de meerlaagse structuren te implanteren”, legt teamlid uit Manuel Langle, wie begon werkte aan dit project tijdens zijn masterscriptie eind 2017. “Als we de geïmplanteerde ionen in een vijflaags monster vinden, maar niet in een tweelaags monster, weten we dat de energie te hoog is.”

In hun werk, dat is gepubliceerd in NATUUR Materialenbestudeerden de onderzoekers krypton- en xenon-ionenclusters met behulp van scanning-transmissie-elektronenmicroscopie (STEM). Ze ontdekten dat voor met krypton bestraalde monsters succesvolle implantatie tussen twee grafeenlagen plaatsvond bij 60 eV. Voor met xenon bestraalde monsters lag de “sweet spot” tussen 55 eV en 65 eV.

Dicht opeengepakte tweedimensionale nanoclusters

Omdat edelgassen meestal inert zijn en zelden chemische bindingen vormen, kunnen de atomen zich vrij bewegen binnen hun grafeensandwich. In bepaalde gebieden kunnen twee of meer atomen echter samenkomen en regelmatige, dicht opeengepakte tweedimensionale nanoclusters vormen. Deze nanoclusters vormen een uitstekend testbed voor onderzoek naar systemen die zeer zwak op elkaar inwerken.

De onderzoekers ontdekten dat clusters van xenon die uit maximaal 100 atomen bestaan, zich gedragen als vaste systemen, maar dat kryptonclusters die slechts 16 atomen bevatten soms vloeistofachtig gedrag vertonen. Hoewel ze nog niet begrijpen waarom, zeggen ze dat de bevinding een nieuw onderzoeksveld zou kunnen openen, gericht op ingekapselde Van der Waal-materialen.

Enkele atomen zwemmen in een grafeen sandwich

 Volgens Langle en Kotakoskitoepassingen voor deze structuren zijn momenteel moeilijk te voorspellen. Omdat edelgassen echter routinematig worden gebruikt in lichtbronnen en lasers, kunnen ze in de toekomst mogelijk worden gebruikt in de kwantuminformatietechnologie.

 Vooruitblikkend, de Het team van Wenen-Helsinki is nu van plan de experimenten bij verschillende temperaturen en drukken te herhalen. “We zijn ook van plan mengsels van gassen te bestuderen en verschillende tweedimensionale materialen te onderzoeken, zoals hexagonaal boornitride (ook wel ‘het neefje van grafeen’ genoemd) of meerlaagse structuren”, vertelt Längle. Natuurkunde wereld.