För första gången har ett forskarlag lyckats stabilisera och direkt avbilda små kluster av ädelgasatomer vid rumstemperatur. Denna prestation öppnar spännande möjligheter för kondenserad materiens fysik och tillämpningar inom kvantinformationsteknologi.

Nyckeln till detta genombrott, som uppnåddes av forskare vid Wiens universitet i samarbete med kollegor vid Helsingfors universitet, var införandet av ädelgasatomer mellan två grafenlager. Detta övervinner svårigheten att ädelgaser inte bildar stabila strukturer under experimentella förhållanden vid rumstemperatur.

Detaljer om metoden och de första elektronmikroskopiska bilderna av ädelgasstrukturer (krypton och xenon) har nu publicerats i Nature Materials .

Jani Kotakoskis grupp vid universitetet i Wien studerade användningen av jonbestrålning för att ändra egenskaperna hos grafen och andra tvådimensionella material när de märkte något ovanligt:​​När ädelgaser används för bestrålning kan de fastna mellan två grafenlager. Detta händer när ädelgasjonerna är tillräckligt snabba för att penetrera det första men inte det andra grafenskiktet.

När de väl är instängda mellan lagren kan ädelgaserna röra sig fritt. Detta beror på att de inte bildar kemiska bindningar. Men för att få plats med ädelgasatomerna böjs grafenen och bildar små bubblor. Här kan två eller flera ädelgasatomer mötas och bilda regelbundna, tätt packade, tvådimensionella ädelgasnanokluster.

"Vi observerade dessa kluster med hjälp av sveptransmissionselektronmikroskopi, och det är verkligen fascinerande och väldigt roligt att observera dem. De roterar, hoppar, växer och krymper när vi avbildar dem", säger Manuel Längle, huvudförfattare till studien. "Att få atomerna mellan lagren var den svåraste delen av arbetet. Nu när vi har gjort det har vi ett enkelt system för att studera grundläggande processer relaterade till material tillväxt och beteende", tillägger han.

Angående gruppens framtida arbete säger Kotakoski, "Nästa steg är att studera egenskaperna hos kluster med olika ädelgaser och hur de beter sig vid låga och höga temperaturer. På grund av användningen av ädelgaser i ljuskällor och lasrar kommer dessa nya strukturer att möjliggör framtida tillämpningar, till exempel inom kvantinformationsteknologi."

Mer information: Manuel Längle et al, Tvådimensionella fåatomiga ädelgaskluster i en grafen sandwich, Nature Materials (2024). DOI:10.1038/s41563-023-01780-1

Journalinformation: Naturmaterial

Tillhandahålls av universitetet i Wien