Erste direkte Abbildung winziger Edelgas-Cluster bei Raumtemperatur

Zum ersten Mal ist es einem Forschungsteam gelungen, kleine Cluster von Edelgasatomen bei Raumtemperatur zu stabilisieren und direkt abzubilden. Diese Errungenschaft eröffnet spannende Möglichkeiten für die Physik kondensierter Materie und für Anwendungen in der Quanteninformationstechnologie. Der Schlüssel zu diesem Durchbruch, der von Forschenden der Universität Wien in Zusammenarbeit mit Kolleg*innen der Universität Helsinki erzielt wurde, war der Einschluss von Edelgasatomen zwischen zwei Graphenschichten. Dies überwindet die Schwierigkeit, dass Edelgase unter experimentellen Bedingungen bei Raumtemperatur keine stabilen Strukturen bilden. Einzelheiten der Methode und die ersten elektronenmikroskopischen Bilder von Edelgasstrukturen (Krypton und Xenon) wurden jetzt in Nature Materials veröffentlicht.

Einschließende Physik

Die Gruppe von Jani Kotakoski an der Universität Wien untersuchte die Verwendung von Ionenbestrahlung, um die Eigenschaften von Graphen und anderen zweidimensionalen Materialien zu verändern, als sie etwas Ungewöhnliches bemerkte: Wenn Edelgase zur Bestrahlung verwendet werden, können sie zwischen zwei Graphenschichten eingeschlossen werden. Dies geschieht, wenn die Edelgasionen schnell genug sind, um die erste, nicht aber die zweite Graphenschicht zu durchdringen. Einmal zwischen den Schichten eingeschlossen, können sich die Edelgase frei bewegen. Das liegt daran, dass sie keine chemischen Bindungen eingehen. Um die Edelgasatome unterzubringen, biegt sich das Graphen jedoch und bildet winzige Blasen. Hier können sich zwei oder mehr Edelgasatome treffen und regelmäßige, dicht gepackte, zweidimensionale Edelgas-Nanocluster bilden.

Spaß am Mikroskop

"Wir haben diese Cluster mit Hilfe der Rastertransmissionselektronenmikroskopie beobachtet, und es ist wirklich faszinierend und macht viel Spaß, sie zu beobachten. Sie drehen sich, springen, wachsen und schrumpfen, während wir sie abbilden", sagt Manuel Längle, Hauptautor der Studie. "Die Atome zwischen die Schichten zu bekommen, war der schwierigste Teil der Arbeit. Jetzt, da wir das geschafft haben, haben wir ein einfaches System zur Untersuchung grundlegender Prozesse im Zusammenhang mit dem Wachstum und Verhalten von Materialien", fügt er hinzu. Zu den künftigen Arbeiten der Gruppe sagt Jani Kotakoski: "Die nächsten Schritte bestehen darin, die Eigenschaften von Clustern mit verschiedenen Edelgasen zu untersuchen und zu erforschen, wie sie sich bei niedrigen und hohen Temperaturen verhalten. Aufgrund der Verwendung von Edelgasen in Lichtquellen und Lasern könnten diese neuen Strukturen in Zukunft Anwendungen zum Beispiel in der Quanteninformationstechnologie ermöglichen." 

Originalpublikation:

Längle, M., Mizohata, K., Mangler, C., Trentino, A., Mustonen, K., Åhlgren, H., Kotakoski, J., Two-dimensional few-atom noble gas clusters in a graphene sandwich. Nature Materials
DOI: 10.1038/s41563-023-01780-1

Abbildung:

Abb. 1: Xenon-Nanocluster zwischen zwei Graphenschichten, mit Größen zwischen zwei und zehn Atomen. C: Manuel Längle