Физики записали на камеру образование нового атомного слоя
Французские физики впервые засняли рост слоев нанокристалла арсенида галлия с разрешением, позволяющим разглядеть отдельные атомы. Для этого ученые выращивали нанокристаллы с помощью метода пар-жидкость-кристалл и использовали просвечивающий электронный микроскоп, чтобы получить изображения образцов. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.
Свойства макроскопических кристаллов, к которым мы привыкли в повседневной жизни (например, бриллиантов из ювелирных украшений), в основном определяются строением кристаллической решетки и ее дефектами, но практически не зависят от формы их поверхности и граней. В то же время, при уменьшении размеров кристалла число «объемных» атомов уменьшается быстрее (~L3), чем число атомов, расположенных вблизи поверхности (~L2), а потому поверхностные эффекты начинают проявляться сильнее. Для нанокристаллов, характерный размер которых составляет несколько сотен нанометров, форма границы играет особенно важную роль. В частности, она проявляется на этапе роста кристалла, когда в его решетку встраиваются новые атомы.
Впервые влияние граничных условий на рост нанокристаллов заметили в 1964 году, когда американские физики Ричард Вагнер (Richard Wagner) и Уильям Эллис (W Ellis) разработали метод ПЖК (пар-жидкость-кристалл) для выращивания полупроводящих нанопроводов. В этом методе химические вещества, из которых состоит кристалл, растворяется в капле жидкого катализатора и создает в нем пересыщенный раствор. В результате в катализаторе начинает расти нанокристалл, одна из граней которого прилегает к капле. Несколько лет назад точность электронных микроскопов выросла настолько, что физики смогли подробно изучить этот процесс — в частности, обнаружить, что слои нанокристалла нарастают последовательно, а не одновременно. В некоторых случаях исследователям даже удалось заметить, как по поверхности кристалла движется граница нарастающего слоя. Тем не менее, увидеть встраивание атомов непосредственно в кристаллическую структуру до сих пор никому не удавалось.
Группа ученых под руководством Жана-Кристофа Армана (Jean-Christophe Harmand) впервые засняла процесс формирования кристаллической решетки, используя просвечивающий электронный микроскоп (ПЭМ). В этом эксперименте тонкий образец насквозь просвечивается пучком электронов, который усиливается системой магнитных линз и формирует изображение на ПЗС-матрице. Поскольку длина волны электронов много меньше длины волны видимого света (при энергии около 200 килоэлектронвольт длина де Бройля λ ≈ 0,01 нанометра), разрешение ПЭМ на несколько порядков превышает разрешение обычных микроскопов. Для выращивания нанокристалла ученые растворяли галлий в капле жидкого золота, нагретого до температуры порядка 400 градусов Цельсия, а потом насыщали ее мышьяком. Когда раствор пресыщался, на капле начинал расти нанокристалл арсенида галлия. Разрешение изображения достигало 0,1 нанометра, так что физики могли проследить за встраиванием в структуру отдельных атомов галлия и мышьяка. За все время наблюдений на кристалле наросло около 50 новых слоев.
В результате ученые обнаружили несколько особенностей, сопровождавших формирование кристалла. Во-первых, кристалл наращивает слои последовательно — пока в предыдущем слое не будут заняты все доступные места, следующий не образуется. Это согласуется с результатами предыдущих экспериментов. Во-вторых, новый слой нарастает либо «слева направо», либо «справа налево», всегда стартуя от боковой границы кристалла, однако точки начала и окончания роста все время разные. В-третьих, граница каждого нового слоя в течение роста меняется с выпуклой на вогнутую. В-четвертых, отношение площади области, закрытой новым слоем, практически линейно растет со временем.
Авторы статьи отмечают, что электроны, которые использовались для создания изображения кристалла, не могли повлиять на его рост. Во-первых, при используемой энергии электронов локальным нагреванием образца можно пренебречь, поскольку капля хорошо отводит тепло. Во-вторых, геометрия образца не изменялась при колебаниях мощности пучка. Наконец, форма полученного образца не отличалась от формы образцов, которые не облучались электронами во время роста.
В декабре 2015 года канадские физики впервые получили двумерные срезы фермионного облака и разглядели решетку, которую образуют атомы. В декабре 2016 года ученые из США и Китая впервые получили изображения монослоя атомов ксенона, на котором были запечатлены силы Ван-дер-Ваальса. А в феврале 2018 года британский физик выиграл конкурс научной фотографии британского Совета по инженерным и физическим научным исследованиям, засняв на обычную зеркальную камеру излучение иона стронция.
На прошлой неделе исследователи из США и Канады построили камеру, которая записывает электромагнитные волны со скоростью около 10 триллионов кадров в секунду, и засняли на нее расщепление лазерного пучка, проходящего через пластинку полупрозрачного стекла.
Дмитрий Трунин
Он распался на кислород <sup>24</sup>O и четыре нейтрона
Японские физики синтезировали самый тяжелый на сегодняшний день изотоп кислорода 28O с магическим числом и нейтронов, и протонов. Он оказался нестабильным, несмотря на предсказанные для него магические свойства, и моментально распадался на четыре нейтрона и кислород 24O. По мнению авторов статьи в Nature, эти результаты указывают на сложную структуру нейтронной оболочки 28O с близкими по энергии возбужденными состояниями. Стабильность изотопов физики описывают разными теоретическими моделями. В частности, некоторые из них предсказывают высокую стабильность изотопов с определенным — магическим — числом протонов и нейтронов. Для протонов магическими являются числа Z = 2, 8, 20, 50, 82, 114, 126, а для нейтронов — числа N = 2, 8, 20, 28, 50, 82, 126. В атомах с такими числами нейтронные и протонные оболочки ядра полностью заполнены, а основное и возбужденные состояния сильно отличаются по энергии — это приводит к повышенной стабильности ядра. Особенно устойчивыми являются дважды магические ядра, в которых одновременно заполнены и протонная, и нейтронная оболочки — например, самый распространенный изотоп кислорода 16O. Для кислорода также известны более тяжелые изотопы с большим количеством нейтронов. Все они, начиная с 19O и заканчивая 26O, неустойчивы. При этом, согласно теоретическим представлениям, дважды магическое ядро 28O может быть устойчивым, хотя оно и содержит очень большое количество нейтронов. Тем не менее получить этот изотоп до сих пор не получалось. Впервые синтезировать кислород 28O удалось физикам под руководством Ёсуке Кондо (Yosuke Kondo) из Института физико-химических исследований RINKA в Японии. Для этого ученые облучали вращающуюся мишень из бериллия 9Be пучком ядер кальция 48Ca. При этом получались разные легкие ядра, из которых с помощью спектрометра физики отсеяли ядра фтора 29F и направили их на мишень из жидкого водорода. При этом из фтора образовались изотопы кислорода 27O и 28O. Далее, с помощью спектрометров физики смогли детектировать продукты их быстрого распада — нейтроны и кислород 24O. Рассчитанная учеными энергия распада составила 0,5 мегаэлектронвольта для 28O и 1,09 мегаэлектронвольта для 27O. Исходя из того, что энергия распада 27O и 25O больше, чем у 28O, физики сделали вывод, что изотоп 28O разложился ступенчато — сначала образовался изотоп 26O и два нейтрона, а затем 26O превратился в 24O и еще два нейтрона. Далее, физики провели расчеты нуклонной структуры 28O на основе теории χEFT (chiral effective field theory) и метода связанных кластеров (coupled-cluster method). Расчеты показали, что нестабильность ядра 28O связана с нестандартным расположением его нейтронных оболочек, которое приводит к заселению возбужденных состояний ядра с низкой энергией (intruder states). В результате физики впервые получили изотоп кислорода 28O и провели теоретические расчеты, объясняющие его нестабильность нестандартной структурой нейтронных оболочек. Тем не менее, прямые доказательства немагичности нейтронной структуры 28O еще предстоит найти. Ранее мы рассказывали о том, как физики получили самый тяжелый изотоп кальция.