Ögonblicksbild av ädelgasatomer dyker upp inifrån en grafensmörgås – Physics World

Forskare vid universiteten i Wien, Österrike och Helsingfors, Finland har tagit de första direkta bilderna av kluster av rumstemperaturerade ädelgasatomer genom att begränsa dem i en "smörgås" gjord av två lager grafen. Tagna med hjälp av ett transmissionselektronmikroskop kan bilderna hjälpa grundläggande forskning om kondenserad materia och kan ha tillämpningar inom kvantteknologi.

Leds av fysiker Jani Kotakoski, fick teamet bilderna medan de studerade hur strålning modifierar egenskaperna hos grafen (ett ark av kol som bara är en atom tjockt) och andra tvådimensionella material som hålls samman av svaga van der Waals-interaktioner. Forskarna märkte att när de använde ädelgasjoner för att bestråla ett prov av flerskiktsgrafen, kunde jonerna fastna mellan två ark av materialet. För att detta skulle hända måste energin hos de bestrålande jonerna vara precis lagom: tillräckligt snabb för att passera genom det första arket, men inte det andra.

"Vi lyckades göra detta genom att implantera ädelgasjonerna i de flerskiktiga strukturerna", förklarar teammedlem Manuel Längle, som började arbetade med detta projekt under sin masteruppsats i slutet av 2017. "Om vi ​​hittar de implanterade jonerna i ett femlagers men inte ett tvålagersprov, vet vi att energin är för hög."

I deras arbete, som publiceras i Natur material, studerade forskarna krypton- och xenonjonkluster med hjälp av scanning transmission electron microscopy (STEM). De fann att för kryptonbestrålade prover skedde framgångsrik implantation mellan två grafenlager vid 60 eV. För xenon-bestrålade prover var "sweet spot" mellan 55 eV och 65 eV.

Tättpackade tvådimensionella nanokluster

Eftersom ädelgaser mestadels är inerta och sällan bildar kemiska bindningar, kan atomerna röra sig fritt i sin grafen sandwich. I vissa regioner kan dock två eller flera atomer komma samman och bilda regelbundna, tätt packade tvådimensionella nanokluster. Dessa nanokluster är en utmärkt testbädd för studier av mycket svagt interagerande system.

Forskarna fann att kluster av xenon som består av upp till 100 atomer beter sig som fasta system, men att kryptonkluster som innehåller så få som 16 atomer ibland visar vätskeliknande beteende. Även om de ännu inte förstår varför, säger de att fyndet kan öppna ett nytt studieområde fokuserat på inkapslade van der Waal-material.

Enstaka atomer simmar inuti en grafensmörgås

 Enligt Längle och Kotakoskiapplikationer för dessa strukturer är svåra att förutsäga för närvarande. Men eftersom ädelgaser rutinmässigt används i ljuskällor och lasrar, kan de ha en viss framtida användning inom kvantinformationsteknologi.

 Ser fram emot Teamet från Wien-Helsingfors planerar nu att upprepa experimenten vid olika temperaturer och tryck. "Vi planerar också att studera blandningar av gaser och undersöka olika tvådimensionella material som hexagonal bornitrid (ibland kallad 'grafens kusin') eller flerskiktiga strukturer", berättar Längle Fysikvärlden.