A Two-Dimensional Crystal of Strongly Interacting Superatoms

何世紀もの間、科学者たちは、固体が原子、すなわち、繰り返しのパターンを持つ結晶を形成するために結合する微小な粒子によって構築されていることを理解してきました。これらのパターンの中では、原子は非常に小さく、かつ非常に速く動いているため、結晶が形成される様子を観察することは、嵐の中で一滴の雨が落下する様子を見ようとするようなものであり、そのプロセスは速すぎて目に見えません。結晶がどのように成長するかを理解するために、研究者たちは長い間、原子のように振る舞いながらも、観察可能なほどゆっくりと動く、より大きな構成要素を用いることを想像してきました。彼らはこれらの大きなブロックを「スーパーアトム（超原子）」と呼んでいます。これらは単一の原子ではなく、多くの原子が精密に集まったクラスターであり、それらが非常に強固に結びつくことで、独自の電子的な個性を持つ一つの大きな単位として振る舞います。課題は、これらのスーパーアトムを、ただ緩やかに浮遊したり崩壊したりするのではなく、本物の結晶を形成するのに十分な強さで互いに結合させることでした。

研究チームは現在、これらスーパーアトムのみで作られた平坦な二次元結晶の生成に成功しており、初めて、これらの構成要素が動き、結合し、自らを修復する様子をリアルタイムで観察することに成功しました。研究者たちは、パラジウムとセレンからなるクラスター、具体的には6個のパラジウム原子が20個または21個のセレンに囲まれたグループを用いて研究を行いました。これらのクラスターは単一の原子と比較すると巨大であり、水素原子よりも2000倍以上の重さがあります。これらは非常に重いため、通常の原子よりもはるかにゆっくりと動き、これにより研究者は強力な電子顕微鏡を用いてその組み立てを撮影することができました。チームは、これらのクラスターが単に隣り合って座っているだけでなく、金属を保持する原子同士の化学結合に似た強さで結合し、安定した繰り返しの格子を形成していることを見出しました。

研究者たちはまず、パラジウムとセレンの適切な混合物を含む、非晶質（無秩序）な材料の薄膜を作成することから始めました。加熱プロセス中にセレン原子が失われるのを防ぐため、彼らはこの薄膜を、炭素の単層からなる材料であるグラフェンの2つの層でサンドイッチ状に挟み込みました。その後、低出力のレーザーを使用してこのサンドイッチの小さな箇所を穏やかに加熱し、無秩序な材料をこのスーパーアトミックな構造へと結晶化させました。高解像度の顕微鏡で結果を観察すると、明るい点の完璧な格子が見られました。各点は単一のスーパーアトム・クラスターを表しています。チームは、これらの点の明るさと配置を分析することで、クラスターが床のタイルのように特定の繰り返しのパターンで配置されていることを確認しました。ただし、各ユニット間の間隔は約8.64オングストロームです。

この結晶内部では、すべてのスーパーアトムが同一であるわけではありません。研究者たちは、中心が中空のクラスターと、その中心をセレン原子が満たしているクラスクターという、主に2種類のクラスターを発見しました。これらの内部的な違いにもかかわらず、それらは強く結合しています。隣接するクラスターのエッジ間の距離は約3.50オングストロームであり、これは、弱い受動的な力によって保持されるには小さすぎ、一方で標準的な原子結合には大きすぎる隙間です。計算によれば、クラスターは化学結合とより弱い力の混合物によって保持されており、結晶を維持するのに十分な結合エネルギーを生み出しています。この結合により、この材料は金属的な特性を持ち、つまり電気を伝導することができます。これは、半導体として機能するバルク版のこの材料とは大きく異なる点です。

この発見を真にユニークなものにしているのは、結晶が成長し、修復する様子を見ることができる能力です。スーパーアトムは非常に質量が大きいため、その動きは動画として捉えられるほど緩やかです。研究者たちは、個々のクラスターがグループから離脱して表面を彷徨い、再び再結合する様子を観察しました。また、クラスターの小さなグループがより大きな結晶に接近し、回転してそれに整列し、そしてカチッと所定の位置にはまり込み、実質的にブロックごとに結晶を成長させていく様子も観察しました。通常の原子であれば数分の一秒で行われるこのプロセスは、このシステムでは数秒間にわたって行われ、これにより科学者たちは核生成と成長の正確なステップを見ることができるのです。

チームはまた、スーパーアトミック結晶が通常の結晶と同じ欠陥を抱えていることも観察しました。彼らは、クラスターが欠落している空のスポットや、パターンがずれた線、そして異なる結晶領域が接する境界を見つけました。研究者が電子ビームに長時間さらしたところ、これらの境界が修復される様子を観察しました。2つの異なる結晶粒が回転して融合し、元の境界のわずかな痕跡を残すだけで、単一のより大きな結晶粒へと統合されました。このように、基礎となる構成要素のレベルで、結晶の誕生、成長、および修復を観察できる能力は、固形物がどのように形成されるかという物理学への稀有な窓を提供しています。このプロセスを人間が視認できるスケールへと遅らせることで、研究者たちは、これらの特定のクラスターだけでなく、私たちの周囲の世界を構成する原子結晶に対しても、結晶化の根本的なルールを理解する助けとなるモデルシステムを作り上げたのです。