Ảnh chụp các nguyên tử khí hiếm thoát ra từ bên trong bánh sandwich graphene – Thế Giới Vật Lý

Các nhà khoa học tại trường Đại học Vienna, Áo và Helsinki, Phần Lan đã chụp được những hình ảnh trực tiếp đầu tiên của các cụm nguyên tử khí hiếm ở nhiệt độ phòng bằng cách nhốt chúng trong một “bánh sandwich” làm từ hai lớp graphene. Được chụp bằng kính hiển vi điện tử truyền qua, những hình ảnh này có thể hỗ trợ nghiên cứu vật lý vật chất ngưng tụ cơ bản và có thể có những ứng dụng trong công nghệ lượng tử.

Được dẫn dắt bởi nhà vật lý Jani Kotakoski, nhóm nghiên cứu đã thu được những hình ảnh này trong khi nghiên cứu cách bức xạ làm thay đổi các tính chất của graphene (một tấm carbon chỉ dày một nguyên tử) và các vật liệu hai chiều khác được giữ với nhau bằng các tương tác van der Waals yếu. Các nhà khoa học nhận thấy rằng khi họ sử dụng các ion khí hiếm để chiếu xạ một mẫu graphene đa lớp, các ion này có thể bị mắc kẹt giữa hai tấm vật liệu. Để điều này xảy ra, năng lượng của các ion chiếu xạ phải vừa phải: đủ nhanh để xuyên qua tấm đầu tiên, nhưng không đi qua tấm thứ hai.

Thành viên nhóm giải thích: “Chúng tôi đã thành công trong việc thực hiện điều này bằng cách cấy các ion khí hiếm vào các cấu trúc nhiều lớp”. Manuel Langle, ai đã bắt đầu đang thực hiện dự án này trong thời gian làm luận văn thạc sĩ vào cuối năm 2017. “Nếu chúng tôi tìm thấy các ion được cấy vào trong mẫu năm lớp chứ không phải mẫu hai lớp, thì chúng tôi biết rằng năng lượng quá cao.”

Trong tác phẩm của họ, được xuất bản trên Thiên nhiên Vật liệu, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu các cụm ion krypton và xenon bằng kính hiển vi điện tử truyền qua quét (STEM). Họ phát hiện ra rằng đối với các mẫu được chiếu xạ krypton, sự cấy ghép thành công giữa hai lớp graphene xảy ra ở mức 60 eV. Đối với các mẫu được chiếu xạ xenon, “điểm ngọt” nằm trong khoảng từ 55 eV đến 65 eV.

Các cụm nano hai chiều được đóng gói dày đặc

Vì khí hiếm hầu hết trơ và hiếm khi hình thành liên kết hóa học nên các nguyên tử có thể chuyển động tự do bên trong lớp kẹp graphene của chúng. Tuy nhiên, ở một số vùng nhất định, hai hoặc nhiều nguyên tử có thể kết hợp với nhau và tạo thành các cụm nano hai chiều dày đặc, đều đặn. Những cụm nano này tạo thành một nền tảng thử nghiệm tuyệt vời cho các nghiên cứu về các hệ thống tương tác rất yếu.

Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng các cụm xenon được tạo thành từ 100 nguyên tử hoạt động giống như các hệ rắn nhưng các cụm krypton chứa chỉ 16 nguyên tử đôi khi có hành vi giống như chất lỏng. Mặc dù họ vẫn chưa hiểu tại sao nhưng họ cho rằng phát hiện này có thể mở ra một lĩnh vực nghiên cứu mới tập trung vào các vật liệu van der Waal được bao bọc.

Các nguyên tử đơn lẻ bơi bên trong bánh sandwich graphene

 Theo Längle và Kotakoski, hiện tại các ứng dụng cho các cấu trúc này rất khó dự đoán. Tuy nhiên, vì các khí hiếm thường được sử dụng trong các nguồn sáng và laser nên chúng có thể có một số ứng dụng trong tương lai trong công nghệ thông tin lượng tử.

 Nhìn về phía trước, Đội Vienna-Helsinki hiện có kế hoạch lặp lại các thí nghiệm ở nhiệt độ và áp suất khác nhau. Längle cho biết: “Chúng tôi cũng có kế hoạch nghiên cứu các hỗn hợp khí và xem xét các vật liệu hai chiều khác nhau như boron nitrit lục giác (đôi khi được gọi là 'anh họ của graphene') hoặc các cấu trúc nhiều lớp”. Thế giới vật lý.