Forskare har använt en teknik som liknar MRI för att följa enskilda atomers rörelse i realtid när de klungar ihop sig för att bilda tvådimensionella material, som är ett enda atomlager tjockt.

Resultaten, redovisas i tidskriften Fysiska granskningsbrev , skulle kunna användas för att designa nya typer av material och kvantteknologiska enheter. Forskarna, från University of Cambridge, fångade atomernas rörelse med hastigheter som är åtta storleksordningar för snabba för konventionella mikroskop.

Tvådimensionella material, som grafen, har potential att förbättra prestandan för befintliga och nya enheter, på grund av deras unika egenskaper, såsom enastående ledningsförmåga och styrka. Tvådimensionella material har ett brett utbud av potentiella tillämpningar, från biosensing och läkemedelsleverans till kvantinformation och kvantberäkning. Dock, för att tvådimensionella material ska nå sin fulla potential, deras egenskaper måste finjusteras genom en kontrollerad tillväxtprocess.

Dessa material bildas normalt när atomer "hoppar" på ett stödjande substrat tills de fäster vid ett växande kluster. Att kunna övervaka denna process ger forskarna mycket större kontroll över de färdiga materialen. Dock, för de flesta material, denna process sker så snabbt och vid så höga temperaturer att den bara kan följas med ögonblicksbilder av en frusen yta, fånga ett enda ögonblick snarare än hela processen.

Nu, forskare från University of Cambridge har följt hela processen i realtid, vid jämförbara temperaturer som de som används inom industrin.

Forskarna använde en teknik som kallas "helium spin-eko", som har utvecklats i Cambridge under de senaste 15 åren. Tekniken har likheter med magnetisk resonanstomografi (MRT), men använder en stråle av heliumatomer för att "belysa" en målyta, liknar ljuskällor i vardagsmikroskop.

"Med den här tekniken, vi kan göra MRT-liknande experiment i farten när atomerna sprids, " sa Dr. Nadav Avidor från Cambridges Cavendish Laboratory, tidningens seniorförfattare. "Om du tänker på en ljuskälla som lyser fotoner på ett prov, när dessa fotoner kommer tillbaka till ditt öga, du kan se vad som händer i provet."

Men istället för fotoner, Avidor och hans kollegor använder heliumatomer för att observera vad som händer på provets yta. Heliumets växelverkan med atomer vid ytan gör det möjligt att sluta sig till rörelsen hos ytarterna.

Med hjälp av ett testprov av syreatomer som rör sig på ytan av ruteniummetall, forskarna registrerade det spontana brytandet och bildandet av syrekluster, bara några få atomer i storlek, och atomerna som snabbt diffunderar mellan klustren.

"Den här tekniken är inte ny, men det har aldrig använts på detta sätt, att mäta tillväxten av ett tvådimensionellt material, " sa Avidor. "Om du ser tillbaka på spektroskopins historia, ljusbaserade sonder revolutionerade hur vi ser på världen, och nästa steg – elektronbaserade sonder – tillät oss att se ännu mer.

"Nu går vi ytterligare ett steg bortom det, till atombaserade sonder, gör det möjligt för oss att observera fenomen i mer atomär skala. Förutom dess användbarhet vid design och tillverkning av framtida material och enheter, Jag är spänd på att ta reda på vad mer vi kommer att kunna se."