Het in realtime volgen van atomen zou kunnen leiden tot een beter materiaalontwerp

Onderzoekers hebben een techniek gebruikt die lijkt op MRI om de beweging van individuele atomen in realtime te volgen terwijl ze samen clusteren om tweedimensionale materialen te vormen, die een enkele atoomlaag dik zijn.

De resultaten, gerapporteerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven, kunnen worden gebruikt om nieuwe soorten materialen en kwantumtechnologie-apparaten te ontwerpen. De onderzoekers van de Universiteit van Cambridge hebben de beweging van de atomen vastgelegd met snelheden die acht ordes van grootte te snel zijn voor conventionele microscopen.

Tweedimensionale materialen, zoals grafeen, hebben het potentieel om de prestaties van bestaande en nieuwe apparaten te verbeteren, vanwege hun unieke eigenschappen, zoals uitstekende geleidbaarheid en sterkte. Tweedimensionale materialen hebben een breed scala aan potentiële toepassingen, van biosensing en medicijnafgifte tot kwantuminformatie en kwantumcomputers. Om tweedimensionale materialen hun volledige potentieel te laten bereiken, moeten hun eigenschappen echter worden verfijnd door middel van een gecontroleerd groeiproces.

Deze materialen vormen zich normaal gesproken als atomen ‘springen’ op een ondersteunend substraat totdat ze zich hechten aan een groeiend cluster. Door dit proces te kunnen volgen, krijgen wetenschappers veel meer controle over de afgewerkte materialen. Voor de meeste materialen verloopt dit proces echter zo snel en bij zulke hoge temperaturen dat het alleen kan worden gevolgd met behulp van snapshots van een bevroren oppervlak, waarbij een enkel moment wordt vastgelegd in plaats van het hele proces.

Nu hebben onderzoekers van de Universiteit van Cambridge het hele proces in realtime gevolgd, bij temperaturen die vergelijkbaar zijn met die in de industrie.

De onderzoekers gebruikten een techniek die bekend staat als ‘helium spin-echo’, die de afgelopen 15 jaar in Cambridge is ontwikkeld. De techniek heeft overeenkomsten met magnetische resonantiebeeldvorming (MRI), maar gebruikt een bundel heliumatomen om een ​​doeloppervlak te ‘verlichten’, vergelijkbaar met lichtbronnen in alledaagse microscopen.

“Met deze techniek kunnen we MRI-achtige experimenten uitvoeren terwijl de atomen zich verspreiden”, zegt Dr. Nadav Avidor van het Cavendish Laboratory in Cambridge, de senior auteur van het artikel. “Als je denkt aan een lichtbron die fotonen op een monster schijnt, terwijl die fotonen weer in je oog komen, kun je zien wat er in het monster gebeurt.”

In plaats van fotonen gebruiken Avidor en zijn collega’s heliumatomen om te observeren wat er op het oppervlak van het monster gebeurt. Door de interactie van het helium met atomen aan het oppervlak kan de beweging van de oppervlaktespecies worden afgeleid.

Met behulp van een testmonster van zuurstofatomen die over het oppervlak van rutheniummetaal bewegen, registreerden de onderzoekers het spontaan breken en vormen van zuurstofclusters, slechts een paar atomen groot, en de atomen die snel diffunderen tussen de clusters.

“Deze techniek is niet nieuw, maar is nooit op deze manier gebruikt om de groei van een tweedimensionaal materiaal te meten”, aldus Avidor. “Als je terugkijkt op de geschiedenis van spectroscopie, hebben op licht gebaseerde sondes een revolutie teweeggebracht in de manier waarop we de wereld zien, en de volgende stap – op elektronen gebaseerde sondes – stelde ons in staat om nog meer te zien.

“We gaan nu nog een stap verder, naar atoomgebaseerde sondes, waardoor we meer verschijnselen op atomaire schaal kunnen observeren. Naast het nut ervan bij het ontwerp en de fabricage van toekomstige materialen en apparaten, ben ik benieuwd wat we nog meer kunnen doen. Ik zal het kunnen zien. ”