Forskare skapar världens första atomära regnbåge i grafen

– Grafen är ett tvådimensionellt material som består av ett enda skikt av kolatomer ordnade i ett hexagonalt mönster. Denna struktur gör det till ett idealt system för att undersöka den atomära regnbågseffekten. Att undersöka denna effekt experimentellt är en utmaning, eftersom det karakteristiska spridningsmönstret är mycket känsligt för även små mängder ytföroreningar. Endast kombinationen av det ultrarena grafenprovet framställt i Duisburg och instrumentets exceptionella upplösning i Uppsala möjliggjorde denna observation, vilket förklarar varför den inte har rapporterats tidigare, säger Carolin Frank, doktorand i fysik vid både Uppsala universitet och University of Duisburg-Essen i Tyskland och huvudförfattare till publikationen.

De framgångsrika experimenten genomfördes vid Tandemlaboratoriets acceleratoranläggningar. En stråle av xenonjoner accelererades med 40 kilovolt och riktades genom fristående grafen. En stor, positionskänslig detektor fångade sedan upp xenonjonerna på andra sidan och avslöjade regnbågsmönstret. Studien, som var ett samarbete mellan Uppsala universitet och University of Duisburg-Essen och nyligen publicerades i tidskriften ”Carbon”, markerade den första experimentella observationen av regnbågsspridning från grafen.

Vad är en atomär regnbåge?

Xenonjoner passerar grafenskiktet vid olika platser och har därmed olika avstånd till de koljoner som utgör gittret. En regnbåge uppstår om joner med mycket olika banor sprids in i samma vinkel på detektorsidan. Precis som den meteorologiska regnbågen alltid uppträder i samma vinkel, bildar de spridda xenonjonerna geometriska mönster i fasta vinklar på detektorn.

Forskarna upptäckte inte bara en utan två regnbågar i experimenten: en cirkel vid 5,32° – den yttre regnbågen – och en mindre hexagon som motsvarande kallas den inre regnbågen. Den yttre regnbågen bildas av xenonatomer som spridits från en enda kolatom i grafenskiktet. Den inre regnbågen uppstår däremot när xenonjoner interagerar med flera kolatomer samtidigt. Hexagonformen liknar därför grafenmönstret.

Insikter i elektroniska växelverkan

Precis som en optisk regnbåge på himlen påverkas av vattnets optiska egenskaper, påverkas xenonregnbågen av den elektroniska växelverkan mellan de laddade partiklarna som utgör xenon och grafen: positivt laddade atomkärnor och negativt laddade elektroner. Denna växelverkan beskrivs genom något som fysiker kallar spridningspotentialen, vilken kan bli ganska komplex på grund av det stora antalet inblandade partiklar. Även om alla tre studerade simuleringarna kunde återge den yttre regnbågen, finns det ingen sådan överensstämmelse för de minsta spridningsvinklarna, vilket avslöjar brister i befintliga modeller för spridningspotentialer.

– Genom att jämföra experimenten med simuleringar baserade på olika möjliga spridningspotentialer kan vi i oöverträffad detalj studera hur denna komplexa och samtidiga växelverkan mellan många partiklar egentligen fungerar, förklarar Daniel Primetzhofer, professor i experimentell fysik vid Uppsala universitet och medförfattare till studien.

– Grafen fungerar inte bara som ett provmaterial, utan också som en särskilt känslig provbänk som avslöjar även subtila avvikelser i modeller av växelverkan mellan joner och fasta ämnen, tillägger Marika Schleberger, professor i experimentell fysik vid universitetet i Duisburg-Essen och medförfattare till publikationen.

Att i framtiden utvidga dessa experiment till andra jonslag eller olika kategorier av tvådimensionella material kommer att ge direkt experimentell tillgång till snabba processer som styr växelverkan mellan energirika laddade partiklar och kondenserad materia.

Svenja Lohmann