“القواعد الذهبية” لبناء الكتل الذرية

يُظهر نموذج الساعة محاذاة الدوران بين عقرب الساعات (أعلى hBN)، وعقرب الدقائق (الجرافين الأوسط)، وعقرب الثواني (أسفل hBN). يؤدي الجمع بين hBN العلوي والجرافين الأوسط وhBn السفلي إلى بنية شبكية فائقة التموج في وسط الساعة. الائتمان: جامعة سنغافورة الوطنية

طور الفيزيائيون تقنية لمحاذاة الشبكات فائقة التموج بدقة، مما أحدث ثورة في إمكانية الجيل التالي من المادة الكمومية المتموجة.

طور علماء الفيزياء في جامعة سنغافورة الوطنية (NUS) تقنية للتحكم الدقيق في محاذاة الشبكات الفائقة التموج باستخدام مجموعة من القواعد الذهبية، مما يمهد الطريق لتقدم الجيل التالي من المادة الكمومية المتموجة.

المشابك Supermoiré

تتشكل أنماط تموج في النسيج عندما يتم تراكب بنيتين دوريتين متطابقتين بزاوية ملتوية نسبية بينهما أو بنيتين دوريتين مختلفتين ولكن متراكبة بزاوية ملتوية أو بدونها. زاوية الالتواء هي الزاوية بين التوجهات البلورية للهيكلين. على سبيل المثال، متى الجرافين ونيتريد البورون السداسي (hBN) عبارة عن مواد ذات طبقات متراكبة فوق بعضها البعض، ولا تصطف الذرات الموجودة في الهيكلين بشكل مثالي، مما يخلق نمطًا من هامش التداخل، يسمى نمط تموج في النسيج. وهذا يؤدي إلى إعادة البناء الإلكترونية.

تم استخدام نمط تموج في النسيج في الجرافين وhBN لإنشاء هياكل جديدة ذات خصائص غريبة، مثل التيارات الطوبولوجية وحالات فراشة هوفستاتر. عندما يتم تكديس اثنين من أنماط تموج في النسيج معًا، يتم إنشاء بنية جديدة تسمى شبكة تموج في النسيج. بالمقارنة مع مواد التموج المفردة التقليدية، تعمل هذه الشبكة فائقة التموج على توسيع نطاق خصائص المواد القابلة للضبط مما يسمح بالاستخدام المحتمل في مجموعة أكبر بكثير من التطبيقات.

إنجازات قسم الفيزياء بجامعة NUS

قام فريق بحث بقيادة البروفيسور أرياندو من قسم الفيزياء في جامعة سنغافورة الوطنية بتطوير تقنية ونجح في تحقيق المحاذاة الخاضعة للرقابة لشبكة hBN / graphene / hBN supermoiré. تسمح هذه التقنية بالترتيب الدقيق لنمطين من التموج في النسيج، أحدهما فوق الآخر. وفي الوقت نفسه، قام الباحثون أيضًا بصياغة “القاعدة الذهبية للثلاثة” لتوجيه استخدام تقنيتهم ​​لإنشاء شبكات فائقة التموج.

ونشرت النتائج مؤخرا في المجلة اتصالات الطبيعة.

رسم توضيحي فني للشبكة الفائقة التموج ذات الزوايا الملتوية (θt و θb) المتكونة بين الجرافين والطبقة العليا من نيتريد البورون السداسي (T-hBN) والطبقة السفلية من نيتريد البورون السداسي (B-hBN). يؤدي الاختلال الطفيف في المحاذاة إلى تكوين نمط شبكي فائق التموج. الائتمان: اتصالات الطبيعة

التحديات والحلول

هناك ثلاثة تحديات رئيسية في إنشاء شبكة الجرافين فائقة التموج. أولاً، تعتمد المحاذاة البصرية التقليدية بشدة على الحواف المستقيمة للجرافين، ولكن العثور على رقاقة جرافين مناسبة يستغرق وقتًا طويلاً ويتطلب عمالة مكثفة؛ ثانيًا، حتى لو تم استخدام عينة الجرافين ذات الحواف المستقيمة، فهناك احتمال منخفض بنسبة 1/8 للحصول على شبكة تموج فائق المحاذاة مزدوجة، وذلك بسبب عدم اليقين بشأن عدم تناظر الحواف وتماثل الشبكة. ثالثًا، على الرغم من إمكانية تحديد تناظر الحافة وتماثل الشبكة، غالبًا ما تكون أخطاء المحاذاة كبيرة (أكبر من 0.5 درجة)، حيث أنه من الصعب جسديًا محاذاة مادتين شبكيتين مختلفتين.

وقال الدكتور جونكسيونج هو، المؤلف الرئيسي لورقة البحث: “إن تقنيتنا تساعد في حل مشكلة الحياة الواقعية. أخبرني العديد من الباحثين أن الأمر عادةً ما يستغرق أسبوعًا تقريبًا لإجراء العينة. مع تقنيتنا، لا يمكنهم فقط تقصير وقت التصنيع بشكل كبير، ولكن أيضًا تحسين بشكل كبير دقة من العينة.”

رؤى فنية

يستخدم العلماء “تقنية الدوران 30 درجة” في البداية للتحكم في محاذاة طبقات hBN العليا والجرافين. ثم يستخدمون “تقنية الانقلاب” للتحكم في محاذاة طبقات hBN العلوية وطبقات hBN السفلية. واستنادًا إلى هاتين الطريقتين، يمكنهم التحكم في تناظر الشبكة وضبط بنية شريط شبكة الجرافين الفائقة التموج. لقد أظهروا أيضًا أن حافة الجرافيت المجاورة يمكن أن تكون بمثابة دليل لمحاذاة التراص. في هذه الدراسة، قاموا بتصنيع 20 عينة تموج في النسيج بدقة أفضل من 0.2 درجة.

وقال البروفيسور أرياندو: «لقد وضعنا ثلاث قواعد ذهبية لتقنيتنا والتي يمكن أن تساعد العديد من الباحثين في مجتمع المواد ثنائية الأبعاد. من المتوقع أيضًا أن يستفيد من عملنا العديد من العلماء الذين يعملون في أنظمة أخرى مترابطة بقوة مثل الجرافين ثنائي الطبقة الملتوي ذو الزاوية السحرية أو الجرافين متعدد الطبقات المتراص ABC. ومن خلال هذا التحسين التقني، آمل أن يؤدي ذلك إلى تسريع عملية تطوير الجيل القادم من المادة الكمومية المموجة.

المساعي المستقبلية

حاليًا، يقوم فريق البحث بالاستفادة من هذه التقنية لتصنيع شبكة الجرافين فائقة التموج أحادية الطبقة واستكشاف الخصائص الفريدة لنظام المواد هذا. علاوة على ذلك، فهم يقومون أيضًا بتوسيع التقنية الحالية لتشمل أنظمة مادية أخرى، لاكتشاف ظواهر كمومية جديدة أخرى.

المرجع: “المحاذاة المتحكم فيها لشبكة التموج الفائق في هياكل الجرافين المتغايرة ذات المحاذاة المزدوجة” بقلم Junxiong Hu، Junyou Tan، Mohamad M. Al Ezzi، Udvas Chattopadhyay، Jian Gou، Yuntian Zheng، Zihao Wang، Jiayu Chen، Reshmi Thottathil، Jiangbo Luo، Kenji واتانابي، تاكاشي تانيجوتشي، أندرو ثاي شين وي، شافيك آدم وأ. أرياندو، 12 يوليو 2023، اتصالات الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41467-023-39893-5