劍橋研究團隊介紹可實時追蹤單個原子運動的新技術

來自劍橋大學的一支研究團隊,剛剛在發表於《物理評論快報》上的一篇文章中介紹了他們是如何捕獲原子的運動、且速度較傳統顯微鏡快了八個數量級。SCI Tech Daily 指出,研究人員使用了類似於核磁共振成像(MRI)的技術來實時追蹤單個原子的運動。此外這些原子聚集在一起形成了二維材料,因而只有單層原子的厚度。

劍橋研究團隊介紹可實時追蹤單個原子運動的新技術

研究配圖 – 1:傳統 0.09ML 衍射掃描

研究團隊稱,這項技術或推動新型材料設計和量子技術設備的發展。據悉,以石墨烯為代表的二維材料具有獨特的性能(比如出色的導電性和強度),有著改善現有裝置和新設備性能的巨大潛力。

此外從生物傳感、藥物輸送、到量子信息 / 量子計算,二維材料具有相當廣闊的應用前景。不過為了讓二維材料發揮最佳的潛力,我們還需要通過可控的生長過程來微調它們的性能。

研究資深作者、來自劍橋大學卡文迪許實驗室的 Nadav Avidor 博士指出:「盡管這不是一項全新的技術,但此前從未有人將之用於測量二維材料的生長」。

這些材料通常以原子的形式「跳躍」到支撐襯底上,直到附著於不斷增長的簇上。如果能夠對該過程進行快速有效的監測,科學家們就可以對材料品質有著更好的管控。

劍橋研究團隊介紹可實時追蹤單個原子運動的新技術

研究配圖 – 2:布里淵區邊緣附近有著緩慢的衰減速率

遺憾的是,對於大多數材料而言,該過程發生得實在太快、且溫度相當之高,以至於只能通過凍結表面的快照來追蹤進度。也就是只能捕捉到某個瞬間的畫面,而不是整個過程。

好消息是,劍橋研究團隊剛剛實現了在工業溫度區間的全程實時追蹤。具體說來是,他們使用了一種被稱作「氦自旋迴波」的技術。過去 15 年里,該技術在劍橋得到了不斷的發展。

原理方面,它與磁共振成象(MRI)非常相似,只是換成了用氦原子束來「照亮」目標表面(類似於普通顯微鏡中的光源)。

Nadav Avidor 博士補充道:「藉助這項技術,我們可以在原子飛散時展開即時的、類似 MRI 的實驗。想像該光源中的光子被瞄準到了樣品上,然後又回到了你的眼中,就可以知曉樣品發生了什麼」。

劍橋研究團隊介紹可實時追蹤單個原子運動的新技術

研究配圖 – 3:基於邊際貝葉斯方法的相對機率

本次研究中,Nadav Avidor 及其同事使用了氦原子來代替光子,以觀察樣品表面到底發生了什麼。通過氦與材料表面原子的相互作用,即可推斷出表面物質的運動。

研究人員使用在釕金屬表面上移動的氧原子的測試樣品,記錄了氧簇的自發破裂和形成。其只有幾個原子的大小,且這些原子在簇之間快速擴散。

Nadav Avidor 表示,雖然談不上是一項全新的技術,但此前從未試過將這種方法用於測量二維材料的生長。

回顧光譜學的歷史,基於光的探針技術已經徹底改變了我們的視野。但下一步,基於電子的探針,將為我們揭示更多的奧秘。

來源:cnBeta