Øyeblikksbilde av edelgassatomer dukker opp fra en grafensandwich – Physics World

Forskere ved universitetene i Wien, Østerrike og Helsinki, Finland har tatt de første direkte bildene av klynger av romtemperatur edelgassatomer ved å begrense dem i en "smørbrød" laget av to lag med grafen. Tatt ved hjelp av et transmisjonselektronmikroskop kan bildene hjelpe grunnleggende forskning på kondensert materie og kan ha anvendelser innen kvanteteknologi.

Ledet av fysiker Jani Kotakoski, fikk teamet bildene mens de studerte hvordan stråling modifiserer egenskapene til grafen (et ark med karbon bare ett atom tykt) og andre todimensjonale materialer holdt sammen av svake van der Waals-interaksjoner. Forskerne la merke til at når de brukte edelgassioner for å bestråle en prøve av flerlagsgrafen, kunne ionene bli fanget mellom to ark av materialet. For at dette skulle skje, måtte energien til de bestrålende ionene være akkurat passe: rask nok til å passere gjennom det første arket, men ikke det andre.

"Vi lyktes med å gjøre dette ved å implantere edelgassioner i flerlagsstrukturene," forklarer teammedlem Manuel Längle, som begynte jobbet med dette prosjektet under sin masteroppgave sent i 2017. "Hvis vi finner de implanterte ionene i en fem-lags, men ikke en to-lags prøve, vet vi at energien er for høy."

I deres arbeid, som er publisert i Natur materialer, studerte forskerne krypton- og xenonionklynger ved bruk av skanningstransmisjonselektronmikroskopi (STEM). De fant at for kryptonbestrålte prøver skjedde vellykket implantasjon mellom to grafenlag ved 60 eV. For xenonbestrålte prøver var "sweet spot" mellom 55 eV og 65 eV.

Tettpakkede todimensjonale nanoklynger

Fordi edelgasser for det meste er inerte og sjelden danner kjemiske bindinger, kan atomene bevege seg fritt i sin grafen-sandwich. I visse regioner kan imidlertid to eller flere atomer komme sammen og danne vanlige, tettpakkede todimensjonale nanokluster. Disse nanoclusterne utgjør et utmerket testbed for studier av svært svakt samvirkende systemer.

Forskerne fant at klynger av xenon som består av opptil 100 atomer, oppfører seg som faste systemer, men at kryptonklynger som inneholder så få som 16 atomer noen ganger viser væskelignende oppførsel. Selv om de ennå ikke forstår hvorfor, sier de at funnet kan åpne et nytt studiefelt fokusert på innkapslede van der Waal-materialer.

Enkeltatomer svømmer inne i en grafensandwich

 Ifølge Längle og Kotakoski, applikasjoner for disse strukturene er vanskelig å forutsi for tiden. Men siden edelgasser rutinemessig brukes i lyskilder og lasere, kan de ha en viss fremtidig bruk i kvanteinformasjonsteknologi.

 Ser frem, den Wien-Helsinki-teamet planlegger nå å gjenta eksperimentene ved forskjellige temperaturer og trykk. "Vi planlegger også å studere blandinger av gasser og se på forskjellige todimensjonale materialer som sekskantet bornitrid (noen ganger kalt 'grafens fetter') eller flerlagsstrukturer," forteller Längle Fysikkens verden.