ภาพรวมของอะตอมก๊าซมีตระกูลเกิดขึ้นจากภายในแซนด์วิชกราฟีน - โลกฟิสิกส์

นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยเวียนนา ออสเตรีย และเฮลซิงกิ ประเทศฟินแลนด์ ได้ถ่ายภาพโดยตรงครั้งแรกของกลุ่มอะตอมก๊าซมีตระกูลที่อุณหภูมิห้อง โดยกักพวกมันไว้ใน "แซนวิช" ที่ทำจากกราฟีน 2 ชั้น เมื่อถ่ายโดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน ภาพเหล่านี้สามารถช่วยในการวิจัยฟิสิกส์สสารควบแน่นพื้นฐาน และอาจนำไปใช้ในเทคโนโลยีควอนตัมได้

นำโดยนักฟิสิกส์ ยานี โคทาโคสกี้ทีมงานได้รับภาพในขณะที่ศึกษาว่ารังสีปรับเปลี่ยนคุณสมบัติของกราฟีน (แผ่นคาร์บอนหนาเพียงอะตอมเดียว) และวัสดุสองมิติอื่นๆ ที่ยึดติดกันโดยปฏิกิริยาของแวนเดอร์วาลส์ที่อ่อนแอได้อย่างไร นักวิทยาศาสตร์สังเกตเห็นว่าเมื่อพวกเขาใช้ไอออนของก๊าซมีตระกูลในการฉายรังสีตัวอย่างของกราฟีนหลายชั้น ไอออนเหล่านั้นอาจติดอยู่ระหว่างแผ่นวัสดุสองแผ่น เพื่อให้สิ่งนี้เกิดขึ้น พลังงานของไอออนที่ฉายรังสีจะต้องเหมาะสม เร็วพอที่จะผ่านแผ่นแรกได้ แต่ไม่ใช่แผ่นที่สอง

"เราประสบความสำเร็จในการทำเช่นนี้โดยการปลูกฝังไอออนก๊าซมีตระกูลเข้าไปในโครงสร้างหลายชั้น" สมาชิกในทีมอธิบาย มานูเอล แลงเกิล, ใครเป็นคนเริ่ม ทำงานในโครงการนี้ระหว่างการทำวิทยานิพนธ์ระดับปริญญาโทเมื่อปลายปี 2017. “ถ้าเราพบไอออนที่ฝังอยู่ในตัวอย่างห้าชั้นแต่ไม่ใช่สองชั้น เราก็จะรู้ว่ามีพลังงานสูงเกินไป”

ในงานของพวกเขาซึ่งตีพิมพ์ใน ธรรมชาติ วัสดุนักวิจัยได้ศึกษากระจุกคริปทอนและซีนอนไอออนโดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดแบบสแกน (STEM) พวกเขาพบว่าสำหรับตัวอย่างที่ผ่านการฉายรังสีคริปทอน การปลูกถ่ายระหว่างชั้นกราฟีนสองชั้นทำได้สำเร็จที่ 60 eV สำหรับตัวอย่างที่ฉายรังสีซีนอน “จุดหวาน” อยู่ระหว่าง 55 eV ถึง 65 eV

คลัสเตอร์นาโนสองมิติที่อัดแน่น

เนื่องจากก๊าซมีตระกูลส่วนใหญ่เฉื่อยและไม่ค่อยเกิดพันธะเคมี อะตอมจึงสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระภายในแซนด์วิชกราฟีน อย่างไรก็ตาม ในบางภูมิภาค อะตอมตั้งแต่สองอะตอมขึ้นไปสามารถมารวมกันและก่อตัวเป็นกระจุกนาโนสองมิติที่อัดแน่นเป็นปกติ คลัสเตอร์นาโนเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นตัวทดสอบที่ยอดเยี่ยมสำหรับการศึกษาระบบที่มีปฏิสัมพันธ์น้อยมาก

นักวิจัยพบว่ากระจุกซีนอนที่ประกอบด้วยอะตอมมากถึง 100 อะตอมมีพฤติกรรมเหมือนระบบของแข็ง แต่กระจุกคริปทอนที่มีอะตอมเพียง 16 อะตอมบางครั้งก็แสดงพฤติกรรมคล้ายของเหลว แม้ว่าพวกเขาจะยังไม่เข้าใจว่าทำไม แต่พวกเขากล่าวว่าการค้นพบนี้อาจเปิดสาขาการศึกษาใหม่ที่เน้นไปที่วัสดุ van der Waal ที่ห่อหุ้มไว้

อะตอมเดี่ยวแหวกว่ายอยู่ในแซนวิชกราฟีน

 ตามคำกล่าวของแลงเกิลและ โคทาโคสกี้การประยุกต์โครงสร้างเหล่านี้เป็นเรื่องยากที่จะคาดเดาได้ในปัจจุบัน อย่างไรก็ตาม เนื่องจากก๊าซมีตระกูลถูกใช้เป็นประจำในแหล่งกำเนิดแสงและเลเซอร์ ก๊าซมีตระกูลจึงอาจนำไปใช้ในเทคโนโลยีสารสนเทศควอนตัมในอนาคต

 มองไปข้างหน้า ขณะนี้ทีมเวียนนา-เฮลซิงกิวางแผนที่จะทำการทดลองซ้ำที่อุณหภูมิและความดันต่างกัน “เรายังวางแผนที่จะศึกษาส่วนผสมของก๊าซและพิจารณาวัสดุสองมิติที่แตกต่างกัน เช่น โบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยม (บางครั้งเรียกว่า 'ลูกพี่ลูกน้องของกราฟีน') หรือโครงสร้างหลายชั้น” Längle กล่าว โลกฟิสิกส์.