At følge atomer i realtid kan føre til bedre materialedesign

Forskere har brugt en teknik svarende til MRI til at følge bevægelsen af ​​individuelle atomer i realtid, når de klynger sig sammen for at danne todimensionelle materialer, som er et enkelt atomlag tykt.

Resultaterne, rapporteret i journalen Fysiske anmeldelsesbreve , kunne bruges til at designe nye typer materialer og kvanteteknologiske enheder. Forskerne, fra University of Cambridge, fangede atomernes bevægelse med hastigheder, der er otte størrelsesordener for hurtige til konventionelle mikroskoper.

Todimensionelle materialer, såsom grafen, har potentialet til at forbedre ydeevnen af ​​eksisterende og nye enheder, på grund af deres unikke egenskaber, såsom fremragende ledningsevne og styrke. Todimensionelle materialer har en bred vifte af potentielle anvendelser, fra bio-sensing og medicinafgivelse til kvanteinformation og kvanteberegning. Imidlertid, for at todimensionelle materialer kan nå deres fulde potentiale, deres egenskaber skal finjusteres gennem en kontrolleret vækstproces.

Disse materialer dannes normalt, når atomer 'hopper' op på et understøttende substrat, indtil de binder sig til en voksende klynge. At kunne overvåge denne proces giver forskerne meget større kontrol over de færdige materialer. Imidlertid, for de fleste materialer, denne proces sker så hurtigt og ved så høje temperaturer, at den kun kan følges ved hjælp af snapshots af en frossen overflade, at fange et enkelt øjeblik i stedet for hele processen.

Nu, forskere fra University of Cambridge har fulgt hele processen i realtid, ved temperaturer, der kan sammenlignes med dem, der anvendes i industrien.

Forskerne brugte en teknik kendt som 'helium spin-ekko', som er blevet udviklet i Cambridge gennem de sidste 15 år. Teknikken har ligheder med magnetisk resonansbilleddannelse (MRI), men bruger en stråle af heliumatomer til at 'belyse' en måloverflade, ligner lyskilder i hverdagsmikroskoper.

"Ved at bruge denne teknik, vi kan lave MR-lignende eksperimenter i farten, mens atomerne spredes, " sagde Dr. Nadav Avidor fra Cambridges Cavendish Laboratory, avisens seniorforfatter. "Hvis du tænker på en lyskilde, der lyser fotoner på en prøve, når disse fotoner kommer tilbage til dit øje, du kan se, hvad der sker i prøven."

I stedet for fotoner, Avidor og hans kolleger bruger heliumatomer til at observere, hvad der sker på prøvens overflade. Heliums interaktion med atomer ved overfladen gør det muligt at udlede bevægelsen af ​​overfladearterne.

Ved at bruge en testprøve af oxygenatomer, der bevæger sig på overfladen af ​​rutheniummetal, forskerne registrerede det spontane brud og dannelse af iltklynger, kun et par atomer i størrelse, og atomerne, der hurtigt diffunderer mellem klyngerne.

"Denne teknik er ikke ny, men det er aldrig blevet brugt på denne måde, at måle væksten af ​​et todimensionalt materiale, " sagde Avidor. "Hvis du ser tilbage på spektroskopiens historie, lysbaserede sonder revolutionerede, hvordan vi ser verden, og det næste trin – elektronbaserede sonder – gav os mulighed for at se endnu mere.

"Vi går nu endnu et skridt ud over det, til atombaserede sonder, giver os mulighed for at observere mere atomare skala fænomener. Udover dets anvendelighed i design og fremstilling af fremtidige materialer og enheder, Jeg er spændt på at finde ud af, hvad vi ellers kan se."