Ученые поймали атомы криптона в ловушку, чтобы сформировать одномерный газ

Впервые в истории исследователи создали одномерный газ, заключив атомы криптона в углеродные нанотрубки, что позволило детально изучить поведение атомов в такой среде. В конечном итоге это может привести к открытию новых фаз материи и лучшему пониманию сверхтекучести или сверхпроводимости в нанометрических масштабах.

Понимание атомов, фундаментальных строительных блоков материи, является одной из главных задач современной науки. Одной из проблем, с которой сталкиваются исследователи при визуализации атомов, является их очень маленький размер — от 0,1 до 0,4 нанометра. Это делает прямую визуализацию атомов в действии очень сложной, и создание непрерывных визуальных представлений атомов в реальном времени остается одной из главных задач.

Недавно группа исследователей из Ноттингемского университета (Англия) в сотрудничестве с Ульмским университетом (Германия) сделала значительный шаг вперед в этой области. В их новом исследовании, опубликованном в журнале American Chemical Society, подробно описывается инновационный процесс захвата атомов криптона внутри углеродных нанотрубок, в результате чего образуется одномерный газ.

Захват атомов криптона для детального наблюдения

Для достижения поставленной цели ученые использовали передовую технику микроскопии — просвечивающую электронную микроскопию (ПЭМ). Эти трубки, которые в 100 000 раз тоньше человеческого волоса, представляют собой замкнутую среду, в которой атомы можно отслеживать по отдельности. Такое наблюдение в реальном времени является прорывом, поскольку позволяет визуализировать поведение атомов криптона в ограниченном пространстве, что ранее было недостижимо при использовании обычных методов микроскопии.

Исследователи использовали бакминстерфуллерены — молекулы в форме футбольного мяча, состоящие из 60 атомов углерода, — для транспортировки отдельных атомов Kr в тестовых нанотрубках. Профессор Андрей Хлобыстов из Ноттингемского университета пояснил в пресс-релизе: «Поскольку Kr имеет высокий атомный номер, его легче наблюдать в ПЭМ, чем более легкие элементы. Это позволило нам отслеживать положение атомов Kr в виде движущихся точек«.

В частности, профессор Уте Кайзер из Ульмского университета использовал TEM SALVE, усовершенствованный электронный микроскоп, способный корректировать хроматические и сферические аберрации. Эта технология сыграла ключевую роль в наблюдении пар атомов Kr. Эти пары образуются, когда два атома криптона связаны между собой взаимодействием Ван-дер-Ваальса — тонкой, но фундаментальной силой в химии. Благодаря TEM SALVE исследователи смогли не только наблюдать эти пары атомов, но и измерить точное расстояние между ними в реальном пространстве.

Новый взгляд на атомы

Когда атомы криптона заключены в одномерное пространство, они демонстрируют уникальное поведение, предлагая ученым ценные сведения об атомных взаимодействиях в экстремальных условиях. Атомы Kr, выходящие из фуллереновых каркасов, образуют своеобразный одномерный газ. После освобождения от своих молекул-носителей атомы Kr могут двигаться только в одном измерении вдоль канала нанотрубки из-за чрезвычайно узкого пространства.

Более того, атомы криптона, собранные в одномерный газ, представляют собой высококоррелированные атомные системы. Эти системы могут выявить ранее неизвестные или плохо изученные свойства теплопроводности и диффузии.

В нанотехнологиях такое понимание может привести к разработке новых материалов с улучшенной теплопроводностью, что откроет путь к прогрессу в производстве полупроводников или охлаждающих устройств.

На пути к новым исследовательским рубежам

Одна из следующих задач исследовательской группы — использовать электронную микроскопию для изучения контролируемых температурой фазовых переходов и химических реакций в одномерных системах. Наблюдая за тем, как атомы криптона ведут себя при различных температурах в замкнутом пространстве, ученые смогут открыть новые фазы материи или лучше понять такие явления, как сверхтекучесть или сверхпроводимость в нанометрических масштабах.

Более того, этот прорыв может оказать значительное влияние на развитие квантовых вычислений. Попав в ловушку, атомы криптона могут быть использованы в качестве кубитов — основных единиц информации в квантовых компьютерах. Кроме того, эта технология может привести к созданию сверхчувствительных датчиков для обнаружения физических или химических явлений в нанометрическом масштабе.