Migawka atomów gazu szlachetnego wyłania się z kanapki z grafenem – Świat Fizyki

Naukowcy z uniwersytetów w Wiedniu w Austrii i Helsinkach w Finlandii wykonali pierwsze bezpośrednie zdjęcia skupisk atomów gazu szlachetnego o temperaturze pokojowej, zamykając je w „kanapce” wykonanej z dwóch warstw grafenu. Zdjęcia wykonane za pomocą transmisyjnego mikroskopu elektronowego mogą pomóc w podstawowych badaniach fizyki materii skondensowanej i znaleźć zastosowanie w technologii kwantowej.

Prowadzony przez fizyka Jana Kotakoskiegozespół uzyskał zdjęcia, badając, jak promieniowanie modyfikuje właściwości grafenu (arkusza węgla o grubości zaledwie jednego atomu) i innych dwuwymiarowych materiałów utrzymywanych razem przez słabe oddziaływania van der Waalsa. Naukowcy zauważyli, że gdy do napromieniowania próbki wielowarstwowego grafenu użyli jonów gazu szlachetnego, jony mogły zostać uwięzione pomiędzy dwoma arkuszami materiału. Aby tak się stało, energia napromieniających jonów musiała być odpowiednia: wystarczająco szybka, aby przejść przez pierwszy arkusz, ale nie przez drugi.

„Udało nam się to osiągnąć poprzez wszczepienie jonów gazu szlachetnego do struktur wielowarstwowych” – wyjaśnia członek zespołu Manuela Längle’a, który zaczął pracował nad tym projektem podczas swojej pracy magisterskiej pod koniec 2017 roku. „Jeśli znajdziemy wszczepione jony w próbce pięciowarstwowej, ale nie w dwuwarstwowej, wiemy, że energia jest za wysoka”.

W swojej pracy opublikowanej w Natura Materiałynaukowcy zbadali klastry jonów kryptonu i ksenonu za pomocą skaningowej transmisyjnej mikroskopii elektronowej (STEM). Odkryli, że w przypadku próbek napromieniowanych kryptonem udana implantacja pomiędzy dwiema warstwami grafenu nastąpiła przy 60 eV. W przypadku próbek napromieniowanych ksenonem „najlepszy punkt” mieścił się w przedziale od 55 eV do 65 eV.

Gęsto upakowane dwuwymiarowe nanoklastry

Ponieważ gazy szlachetne są w większości obojętne i rzadko tworzą wiązania chemiczne, atomy mogą swobodnie poruszać się w warstwie grafenu. Jednak w niektórych obszarach dwa lub więcej atomów może się połączyć i utworzyć regularne, gęsto upakowane dwuwymiarowe nanoklastry. Te nanoklastry stanowią doskonałe pole testowe do badań bardzo słabo oddziałujących systemów.

Naukowcy odkryli, że skupiska ksenonu składające się z maksymalnie 100 atomów zachowują się jak układy stałe, natomiast skupiska kryptonu zawierające zaledwie 16 atomów czasami zachowują się jak płyn. Choć nie rozumieją jeszcze dlaczego, twierdzą, że odkrycie może otworzyć nowy kierunek badań skupiający się na kapsułkowanych materiałach van der Waala.

Pojedyncze atomy pływają w kanapce grafenowej

 Według Längle’a i Kotakoskizastosowania tych konstrukcji są obecnie trudne do przewidzenia. Ponieważ jednak gazy szlachetne są rutynowo stosowane w źródłach światła i laserach, mogą one w przyszłości znaleźć zastosowanie w kwantowej technologii informacyjnej.

 Patrząc w przyszłość, Zespół Wiedeń-Helsinki planuje teraz powtórzyć eksperymenty w różnych temperaturach i ciśnieniach. „Planujemy także badać mieszaniny gazów i przyglądać się różnym materiałom dwuwymiarowym, takim jak sześciokątny azotek boru (czasami nazywany „kuzynem grafenu”) lub strukturami wielowarstwowymi” – mówi Längle Świat Fizyki.