سجلت الكاميرا الإلكترونية حركة الذرات في الوقت الحقيقي

أجرى الفيزيائيون من مختبر المسرعات الوطني SLAC في جامعة ستانفورد تجربة فريدة. تمكنوا من الكشف عن حركة الذرات الفردية في أحادي الطبقة من ثاني كبريتيد الموليبدينوم MoS ₂ بسمك ثلاث ذرات . بالنسبة للتصوير ، تم استخدام ما يسمى "الكاميرا الإلكترونية" ، حيث يتم قياس تأثير حيود الإلكترون فائق السرعة (UED).

هذه هي التجربة الأولى باستخدام كاميرا UED. لذلك ، فإن مشاهدة الرسوم المتحركة مع حركة الذرات في تريليونات الثانية أمر غير معتاد قليلاً.

تعتبر دراسة المونولاير مثيرة للاهتمام بشكل خاص لأنها مادة غير عادية للغاية. غالبًا ما تُظهر الأفلام ذات سمك جزيئي واحد خصائص فيزيائية غير متوقعة. على سبيل المثال ، القوة الميكانيكية القصوى أو الموصلية الفائقة. يستخدم ثاني كبريتيد الموليبدينوم على نطاق واسع كمواد تشحيم عادية (زيوت التشحيم) ، ولكنه يظهر خصائص مثيرة للاهتمام إذا تم تمديده إلى طبقة أحادية. في شكله المعتاد ، يكون الشحم عازلًا ، لكن الطبقة الأحادية MoS ₂ تجري تيارًا ممتازًا.

يوضح الرسم التوضيحي النموذج المحسوب لطبقة MoS ₂ أحادية الطبقة ، التي تم اختبارها في مختبر SLAC الوطني للمسرعات: هيكلها المثالي (أ) ، هيكلها عند 27 درجة مئوية (ب) ، وهيكلها عند 620 درجة مئوية.



فيما يلي تصور للبيانات الحقيقية التي تم الحصول عليها عن طريق التعرض لنبضات الليزر فائقة القصر على طبقة أحادية.



في غضون تريليون من الثانية ، تخلق النبضة "خدوش" بعمق يزيد عن 15٪ من سمك المادة.

كيف تعمل الكاميرا

يعتمد مبدأ حيود الإلكترون على حقيقة أن الطول الموجي للإلكترون يعتمد على طاقته. يتغير الزخم (اتجاه الحركة) عندما يمر الإلكترون عبر مادة أخرى. في حالتنا ، من خلال الطبقة الأحادية MoS ₂ .

وبالتالي ، نستخدم نبضة فائقة القصر من الإلكترونات عالية الطاقة (الموجة الزرقاء في الرسم التوضيحي) "لمسح" حالة ذرات الطبقة الأحادية (الكرات الزرقاء والصفراء) ، بعد إرسال نبضة الليزر المثيرة (الموجة الحمراء).



يحدد الكاشف حالة الإلكترونات المستقبلة من "صريف حيود" الطبقة الأحادية. وفقًا لهذه البيانات ، يمكنك عمل صورة بترتيب الذرات. تسمح لك المعدات بتتبع حركة الذرات في الوقت الفعلي.

وفقًا للخبراء ، فإن الطريقة الجديدة لتصوير الذرات في مادة ما ، جنبًا إلى جنب مع المعلومات ذات الصلة من المسرِّع الخطي (Linac Coherent Light Source، LCLS) ، "تخلق فرصًا غير مسبوقة للبحث الدقيق للغاية في مختلف التخصصات العلمية ، من علوم المواد إلى الكيمياء والتكنولوجيا الحيوية."

هذه أيضًا خطوة مهمة نحو تصميم الأجهزة من المواد بسماكة جزيء واحد. يمكن استخدامها في الإلكترونيات ، والكيمياء (كمحفزات) ، والطاقة (تقوم الطبقات الأحادية بتحويل الطاقة الضوئية بكفاءة عالية). بشكل عام ، تشير الحساسية القوية للطبقات الأحادية للضوء إلى فكرة التحكم في خصائصها الفيزيائية باستخدام نبضات الضوء. ولكن لهذا ، تحتاج أولاً إلى فهم طبيعة التحولات الهيكلية التي تحدث في طبقات أحادية بدقة.

بعد دراسة خصائص الطبقات الأحادية بعناية من مواد مختلفة ، سيبدأ العلماء في مزجها ، وتأليف المواد المركبة بخصائص بصرية وميكانيكية وإلكترونية وكيميائية جديدة تمامًا.



تم نشر ورقة علمية تصف التجربة في مجلة Nano Letters في 31 أغسطس 2015 (EM Mannebach et al.، Nano Letters، 31 أغسطس 2015. DOI: 10.1021 / acs.nanolett.5b02805).

Source: https://habr.com/ru/post/ar384059/