فيزيائيون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا يحولون قلم الرصاص إلى “ذهب” إلكتروني

اكتشف باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) خصائص فريدة من نوعها في الجرافيت من خلال تكديس خمس طبقات من الجرافين بترتيب دقيق. يمكن لهذا الجرافين ذو الطبقة الخماسية المعينية أن يظهر خصائص عازلة أو مغناطيسية أو طوبولوجية، مما يمثل اكتشافًا مهمًا في فيزياء المواد باستخدام تقنيات المجهر النانوي المبتكرة.

عزل الرقائق الرقيقة التي يمكن ضبطها لإظهار ثلاث خصائص مهمة.

معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا قام الفيزيائيون مجازيًا بتحويل الجرافيت، أو قلم الرصاص، إلى ذهب عن طريق عزل خمس رقائق فائقة الدقة مكدسة بترتيب معين. يمكن بعد ذلك ضبط المادة الناتجة لإظهار ثلاث خصائص مهمة لم يسبق لها مثيل في الجرافيت الطبيعي.

يقول لونج جو، الأستاذ المساعد في قسم الفيزياء بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ورئيس البحث الذي نُشر في عدد 5 أكتوبر/تشرين الأول من مجلة “إن الأمر يشبه التسوق الشامل”. تكنولوجيا النانو الطبيعة. “الطبيعة لديها الكثير من المفاجآت. وفي هذه الحالة، لم ندرك أبدًا أن كل هذه الأشياء المثيرة للاهتمام موجودة في الجرافيت.

علاوة على ذلك، يقول: “من النادر جدًا العثور على مواد يمكنها استضافة هذا العدد الكبير من الخصائص”.

صعود “Twistronics”

يتكون الجرافيت من الجرافينوهي عبارة عن طبقة واحدة من ذرات الكربون مرتبة في أشكال سداسية تشبه هيكل قرص العسل. وكان الجرافين بدوره محور أبحاث مكثفة منذ أن تم عزله لأول مرة قبل حوالي 20 عامًا. ومنذ حوالي خمس سنوات، اكتشف باحثون، بما في ذلك فريق من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، أن تكديس صفائح فردية من الجرافين، ولفها بزاوية طفيفة مع بعضها البعض، يمكن أن ينقل خصائص جديدة إلى المادة، من الموصلية الفائقة إلى المغناطيسية. ولد مجال “twistronics”.

وفي العمل الحالي، “اكتشفنا خصائص مثيرة للاهتمام دون أي التواء على الإطلاق”، كما يقول جو، الذي ينتمي أيضًا إلى مختبر أبحاث المواد.

عرض فني لارتباط الإلكترونات، أو قدرة الإلكترونات على التحدث مع بعضها البعض، والتي يمكن أن تحدث في نوع خاص من الجرافيت (قلم الرصاص). مصدر الصورة: سامبسون ويلكوكس، مختبر أبحاث الإلكترونيات بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا

اكتشف هو وزملاؤه أن خمس طبقات من الجرافين مرتبة بترتيب معين تسمح للإلكترونات التي تتحرك داخل المادة بالتحدث مع بعضها البعض. ويقول جو إن هذه الظاهرة، المعروفة باسم الارتباط الإلكتروني، “هي السحر الذي يجعل كل هذه الخصائص الجديدة ممكنة”.

يعتبر الجرافيت السائب – وحتى صفائح الجرافين المفردة – موصلات كهربائية جيدة، ولكن هذا كل ما في الأمر. المادة التي عزلها جو وزملاؤه، والتي أطلقوا عليها اسم الجرافين المكدس ذو الطبقات الخماسية، تصبح أكبر بكثير من مجموع أجزائها.

مجهر الرواية واكتشافاته

مفتاح عزل المادة كان أ مجهر رواية جو في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في عام 2021 يمكنه تحديد مجموعة متنوعة من الخصائص المهمة للمادة بسرعة وبتكلفة زهيدة نسبيًا مقياس النانو. يبلغ سمك الجرافين المكدس ذو الطبقة الخماسية السطوح بضعة أجزاء من المليار من المتر.

كان العلماء بما في ذلك جو يبحثون عن جرافين متعدد الطبقات تم تكديسه بترتيب دقيق للغاية، يُعرف باسم التراص المعيني. يقول جو، “هناك أكثر من 10 أوامر تكديس محتملة عندما تنتقل إلى خمس طبقات. Rhombohedral هو مجرد واحد منهم. سمح المجهر الذي صنعه جو، والمعروف باسم Scattering-type Scanning Nearfield Optical Microscopy، أو s-SNOM، للعلماء بتحديد وعزل الطبقات الخماسية فقط في ترتيب التراص المعيني الذي كانوا مهتمين به.

الظواهر المادية المتعددة الأوجه

ومن هناك، قام الفريق بتوصيل أقطاب كهربائية إلى شطيرة صغيرة مكونة من “خبز” نيتريد البورون الذي يحمي “اللحم” الرقيق من الجرافين الخماسي السطوح المكدس. سمحت لهم الأقطاب الكهربائية بضبط النظام بجهد كهربائي مختلف أو بكميات مختلفة. النتيجة: اكتشفوا ظهور ثلاث ظواهر مختلفة اعتماداً على عدد الإلكترونات التي تغمر النظام.

زميل ما بعد الدكتوراه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، زينغوانغ لو، والأستاذ المساعد لونغ جو، وطالب الدراسات العليا تونغهانغ هان في المختبر. الثلاثة هم مؤلفو ورقة بحثية في مجلة Nature Nanotechnology حول نوع خاص من الجرافيت (رصاص القلم الرصاص)، مع سبعة آخرين. الائتمان: جو لاب

يقول جو: “لقد وجدنا أن المادة يمكن أن تكون عازلة، أو مغناطيسية، أو طوبولوجية”. ويرتبط هذا الأخير إلى حد ما بكل من الموصلات والعوازل. يوضح جو أن المادة الطوبولوجية تسمح بحركة الإلكترونات دون عوائق حول حواف المادة، ولكن ليس عبر المنتصف. تتحرك الإلكترونات في اتجاه واحد على طول “طريق سريع” عند حافة المادة مفصولة بوسط يشكل مركز المادة. لذا فإن حافة المادة الطوبولوجية هي موصل مثالي، في حين أن المركز هو عازل.

“إن عملنا يؤسس للجرافين متعدد الطبقات المكدس المعيني كمنصة قابلة للضبط بدرجة كبيرة لدراسة هذه الاحتمالات الجديدة للفيزياء الطوبولوجية والمترابطة بقوة” ، استنتج جو وزملاؤه في المؤلفين في تكنولوجيا النانو الطبيعة.

المرجع: “العازل المترابط وعوازل تشيرن في الجرافين المكدس ذو الطبقات الخماسية” بقلم تونجهانج هان، وزينجوانج لو، وجيوفاني سكوري، وجيهو سونج، وجوي وانج، وتيان يي هان، وكينجي واتانابي، وتاكاشي تانيجوتشي، وهونجكون بارك، ولونج جو، 5 أكتوبر 2023، تكنولوجيا النانو الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41565-023-01520-1

بالإضافة إلى جو، مؤلفو الورقة هم تونغهانغ هان وزينغوانغ لو. هان طالب دراسات عليا في قسم الفيزياء. لو هو زميل ما بعد الدكتوراه في مختبر أبحاث المواد. وهما المؤلفان الأولان للورقة.

المؤلفون الآخرون هم جيوفاني سكوري، جيهو سونغ، جوي وانغ وهونغكون بارك من جامعة هارفارد؛ كينجي واتانابي وتاكاشي تانيجوتشي من المعهد الوطني لعلوم المواد في اليابان، وتياني هان من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا للفيزياء.

تم دعم هذا العمل من قبل زمالة سلون؛ مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية؛ مكتب وكيل وزارة الدفاع الأمريكي للأبحاث والهندسة؛ الجمعية اليابانية لتعزيز العلوم KAKENHI؛ ومبادرة البحوث الدولية الرائدة في العالم في اليابان؛ ومكتب القوات الجوية الأمريكية للبحث العلمي.