Физики из Национальной ускорительной лаборатории SLAC при Стэнфордском университете провели уникальный эксперимент. Им удалось зарегистрировать движение отдельных атомов в монослое дисульфида молибдена MoS2 толщиной три атома. Для съёмки использовалась так называемая «электрон-камера», в которой замеряется эффект сверхбыстрой дифракции электронов (ultrafast electron diffraction, UED).

Это первый эксперимент с применением UED-камеры. Поэтому смотреть анимацию с перемещением атомов за триллионные доли секунды слегка непривычно.

Изучение монослоёв особенно интересно, поскольку это очень необычный материал. Плёнки толщиной в одну молекулу зачастую демонстрируют неожиданные физические свойства. Например, экстремальную механическую прочность или сверхпроводимость. Тот же дисульфид молибдена широко используется как банальный лубрикант (смазка), но демонстрирует интересные свойства, если его растянуть в монослой. В обычном виде смазка является изолятором, а вот монослой MoS₂ отлично проводит ток.

На иллюстрации показана расчётная модель монослоя MoS2, с которым проводили эксперимент в Национальной ускорительной лаборатории SLAC: его идеальная структура (a), структура при 27ºC (b) и структура при 620ºC .

Ниже — визуализация реальных данных, полученных при воздействии на монослой сверхкоротких лазерных импульсов.

В течение триллионной доли секунды импульс создаёт «вмятины» глубиной более 15% от толщины материала.

Как работает камера

Принцип электронной дифракции основан в том, что длина волны электрона зависит от его энергии. Импульс (направление движения) изменяется, когда электрон проходит через другой материал. В нашем случае — через монослой MoS₂ .

Таким образом, мы используем сверхкороткий импульс электронов высокой энергии (синяя волна на иллюстрации) для «сканирования» состояния атомов монослоя (голубые и жёлтые шарики), предварительно послав возбуждающий импульс лазера (красная волна).

Детектор определяет состояние электронов, поступивших от «дифракционной решётки» монослоя. По этим данным можно составить картину с расположением атомов. Оборудование позволяет отслеживать движение атомов в реальном времени.

По мнению специалистов, новый метод видеосъёмки атомов в материале, вместе с сопутствующей информацией с линейного ускорителя (Linac Coherent Light Source, LCLS), «создаёт беспрецедентные возможности для сверхточных исследований в разных научных дисциплинах, от материаловедения до химии и биотехнологий».

Это также важный шаг к конструированию устройств из материалов толщиной в одну молекулу. Их можно использовать в электронике, химии (как катализаторы), энергетике (монослои очень эффективно преобразуют световую энергию). Вообще, сильная чувствительность монослоёв к свету наталкивает на мысль управления их физическими свойствами с помощью импульсов света. Но для этого сначала следует точно разобраться в природе структурных трансформаций, которые происходят в монослоях.

Тщательно изучив свойства монослоёв из разных материалов, учёные начнут смешивать их, составлять композитные материалы с совершенно новыми оптическими, механическими, электронными и химическими свойствами.

Научная работа с описанием эксперимента опубликована в журнале Nano Letters 31 августа 2015 года (E. M. Mannebach et al., Nano Letters, 31 August 2015. DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b02805).