限制在石墨烯層之間的惰性氣體原子為量子技術和凝聚態物理學帶來了新的可能性。研究人員首次在室溫下成功穩定並直接成像了惰性氣體原子小簇。這項突破為凝聚態物理領域的基礎研究和量子資訊技術的潛在應用提供了新的機會。

兩個石墨烯層之間的氙奈米團簇，大小在兩個到十個原子之間。圖片來源：Manuel Längle

維也納大學的科學家與赫爾辛基大學的同事合作取得了這項突破，關鍵在於將惰性氣體原子限制在兩層石墨烯之間。這種方法克服了惰性氣體在常溫實驗條件下無法形成穩定結構的難題。該方法的細節和有史以來第一張惰性氣體（氪和氙）結構的電子顯微鏡圖像現已發表在《自然-材料》（Nature Materials）上。

惰性氣體陷阱

維也納大學的亞尼-科塔科斯基（Jani Kotakoski）研究團隊在研究如何利用離子輻照來改變石墨烯和其他二維材料的特性時，發現了一些不同尋常的現象：當使用惰性氣體進行輻照時，它們會被困在兩片石墨烯之間。

當惰性氣體離子的速度足以穿過第一層石墨烯而不是第二層石墨烯時，就會發生這種情況。一旦被困在兩層石墨烯之間，惰性氣體就可以自由移動。這是因為它們不會形成化學鍵。然而，為了容納惰性氣體原子，石墨烯會彎曲形成微小的口袋。在這裡，兩個或更多的惰性氣體原子可以相遇並形成規則、密集的二維惰性氣體奈米簇。

顯微鏡帶來的樂趣

“我們使用掃描透射電子顯微鏡來觀察這些簇，它們真的非常迷人，非常有趣。當我們對它們進行成像時，它們會旋轉、跳躍、生長和縮小”，該研究的第一作者曼努埃爾-萊恩格爾（Manuel Längle）說。”獲取層間原子是這項工作最困難的部分。現在我們已經做到了這一點，我們有了一個簡單的系統來研究與材料生長和行為有關的基本過程。”

在談到研究小組未來的工作時，亞尼-科塔科斯基（Jani Kotakoski）說：「下一步工作是研究含有不同惰性氣體的簇合物的特性，以及它們在低溫和高溫下的行為。由於惰性氣體在光源和雷射中的應用，這些新結構將來可能會應用於量子資訊技術等領域。”

編譯自/ ScitechDaily