Большинство из нас представляет вибрацию как что-то ощутимое: гудение телефона в кармане или жужжание электрической зубной щетки. Ученые же смотрят на вибрацию иначе, они видят ее в атомных масштабах.

Исследователям из Инженерного колледжа Грейнджера в Университете Иллинойса впервые удалось рассмотреть скрытые до сих пор атомные вибрации в двумерных материалах. Они использовали передовые методы микроскопии, чтобы зафиксировать ранее невидимый класс колебаний. Эти кадры — самые детальные изображения одиночного атома из когда-либо полученных.

Подробности опубликованы в издании Science.

Двумерные материалы — основа для электроники будущего, потому что их можно уменьшать до толщины в несколько атомов, не теряя нужных свойств. Ключ к такой электронике — создание муаровых систем. Это стопки ультратонких материалов, чьи атомные решетки не совпадают, например, из-за того, что один слой слегка повернут относительно другого.

В таких скрученных материалах рождаются особые низкочастотные колебания — муаровые фононы. Поскольку тепло это, по сути, результат колебаний атомов, изучение фононов помогает понять, как материалы проводят или удерживают тепло. Но есть и другой, более загадочный тип колебаний — фазоны. Ученые предполагали, что именно фазоны отвечают за уникальные свойства скрученных материалов, однако прямое доказательство их существования долго было недостижимой целью.

От фазонов просто так не избавиться, в этом их проклятие и благословение, — говорит Пиншэйн Хуанг, профессор материаловедения и старший автор исследования. — Они всегда были здесь, незаметно влияя на свойства материалов, но мы не могли их поймать.

Хуанг, увлеченный электронной микроскопией, задался вопросом: помогут ли новейшие технологии визуализации увидеть эти локальные вибрации?

Чтобы найти ответ, она объединила усилия с Ичао Чжаном, постдокторантом, изучавшим теплоперенос на наноуровне.

Наша главная цель была — увидеть тепло, глядя на атом, — объясняет Хуанг. — Мы добились такого высокого разрешения, что колебания атомов из-за тепла стали влиять на их четкость на снимке. Эти движения невероятно малы, но мы буквально можем разглядеть каждый атом по отдельности и увидеть, как он движется под действием тепла.

Для этого команда применила метод электронной птохографии, который кардинально повышает разрешение существующих микроскопов.

Благодаря сверхвысокому разрешению ученые впервые увидели тепловые вибрации атомов в скрученном двумерном селениде вольфрама.

В начале моей карьеры пределом мечтаний было разрешение чуть меньше одного ангстрема, — вспоминает Хуанг. — Но с появлением птохографии мы стали получать цифры около 0.2 ангстрем. Тогда мы подумали: колебания атомов от тепла как раз составляют около 0.05 ангстрем. Возможность увидеть тепло — это пример того, как колоссальный скачок в разрешении меняет саму суть того, что может микроскоп.

Ученые верят, что их открытие позволит создавать электронику с принципиально новыми функциями.

• Что это дает? Управление теплом на атомном уровне.
• Как это работает? Мы можем найти один-единственный дефект в материале, который мешает ему охлаждаться, и устранить его.

Одно из потенциальных применений — создание материалов с лучшей теплопроводностью, — говорит Чжан. — Мы можем посмотреть на каждый атом и найти дефект, который мешает эффективному охлаждению. Это знание откроет путь к новым методам управления теплом на фундаментальном уровне.

Реальная польза этого исследования лежит в плоскости фундаментального контроля над материей. Прямое наблюдение за фазонами — это не просто «галочка» в научном журнале. Это ключ к проектированию материалов с заданными тепловыми свойствами. Представьте микропроцессоры, которые не перегреваются даже на экстремальных частотах, потому что мы научились создавать в них „атомные магистрали“ для отвода тепла. Или материалы для термоэлектрических генераторов, которые с высочайшей эффективностью превращают бросовое тепло обратно в электричество. Понимание фазонов может привести к созданию сверхпроводников, работающих при более высоких температурах, что кардинально изменит энергетику и транспорт. Пока это отдаленные перспективы, но теперь у нас есть инструмент, чтобы к ним целенаправленно идти.

Основное критическое замечание касается перехода от фундаментального открытия к массовой технологии. Исследование проводилось на конкретном материале (скрученный селенид вольфрама) в идеализированных лабораторных условиях. Внедрение этой методологии в промышленное производство полупроводниковых чипов — титаническая задача. Процессы, требующие сверхвысокого вакуума, сложнейшего оборудования и анализа данных, сегодня слишком дороги и медленны для конвейера. Кроме того, стабильность этих скрученных структур и управление фазонами в реальных устройствах, подверженных внешним воздействиям (температура, электрическое поле, дефекты), — это огромное поле для будущих исследований, где могут ждать серьезные препятствия.

Ранее ученые предложили использовать двумерные материалы в электронике.