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

عزل الرقائق الرقيقة التي يمكن ضبطها لإظهار ثلاث خصائص مهمة.

معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا قام الفيزيائيون بشكل مجازي بتحويل الجرافيت، أو قلم الرصاص، إلى ذهب عن طريق عزل خمس رقائق متناهية الصغر 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 وقائد العمل، في عدد 5 أكتوبر/تشرين الأول من مجلة “إن الأمر يشبه إلى حد ما متجرًا شاملاً”. تكنولوجيا النانو الطبيعة. “الطبيعة لديها الكثير من المفاجآت في متجرها. في هذه الحالة، لم ندرك أبدًا أن كل هذه الأشياء المثيرة للاهتمام كانت مدمجة في الجرافيت.

بالإضافة إلى ذلك، يقول: “من النادر جدًا العثور على مواد يمكنها استيعاب العديد من الخصائص”.

صعود “twistronics”

يتكون الجرافيت من الجرافينوهي عبارة عن طبقة واحدة من ذرات الكربون مرتبة في أشكال سداسية تشبه هيكل قرص العسل. من ناحية أخرى، كان الجرافين موضوعًا لأبحاث مكثفة منذ أن تم عزله لأول مرة قبل حوالي 20 عامًا. بعد ذلك، قبل حوالي خمس سنوات، اكتشف الباحثون، بما في ذلك فريق من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، أن تكديس صفائح فردية من الجرافين ولفها بشكل خفيف بالنسبة لبعضها البعض يمكن أن يمنح المادة خصائص جديدة، مثل الموصلية الفائقة للمغناطيسية. ولد مجال “twistronics”.

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

تصوير فني للارتباط الإلكتروني، أو قدرة الإلكترونات على التواصل مع بعضها البعض، والذي يمكن أن يحدث في نوع معين 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 بالتواصل مع بعضها البعض. يقول 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 يطلقون عليها اسم الجرافين المكدس ذو الطبقات الخماسية، تصبح أكبر بكثير من مجموع أجزائها.

المجهر الجديد واكتشافاته

كان مفتاح عزل المادة أ المجهر الجديد تم تصميم Ju في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في عام 2021 والذي يمكنه تحديد مجموعة متنوعة من الخصائص المهمة للمادة على المستوى بسرعة وبتكلفة زهيدة نسبيًا على المقياس النانوي. يبلغ سمك الجرافين المتراص ذو الخمس طبقات فقط بضعة أجزاء من المليار من المتر.

كان العلماء، بما في ذلك جو، يبحثون عن جرافين متعدد الطبقات مكدسًا بترتيب محدد جدًا، يسمى التراص المعيني السطوح. وفقًا لجو، “هناك أكثر من 10 أوامر تكديس محتملة عند الانتقال إلى خمس طبقات. Rhombohedral هو مجرد واحد منهم. سمح المجهر الذي صنعه جو، والمعروف باسم الفحص المجهري البصري للمجال القريب من نوع الانتشار، أو s-SNOM، للعلماء بتحديد وعزل الطبقات الخماسية فقط في ترتيب التراص المعيني الذي أثار اهتمامهم.

الظواهر المادية متعددة الأوجه

ومن هناك، قام الفريق بتوصيل أقطاب كهربائية إلى شطيرة صغيرة مصنوعة من “خبز” نيتريد البورون الذي يحمي “اللحم” الرقيق من الجرافين المكدس المكون من خمس طبقات معينية السطوح. سمحت لهم الأقطاب الكهربائية بضبط النظام بجهود أو كميات مختلفة من الكهرباء. النتيجة: اكتشفوا ظهور ثلاث ظواهر مختلفة اعتمادا على عدد الإلكترونات التي تغمر النظام.

زميل ما بعد الدكتوراه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا Zhengguang Lu، والأستاذ المساعد Long Ju وطالب الدراسات العليا Tonghang Han في المختبر. الثلاثة جميعهم مؤلفون، مع سبعة آخرين، لمقالة في مجلة Nature Nanotechnology حول نوع معين من الجرافيت (رصاص الرصاص). الائتمان: جو لاب

يقول جو: “لقد اكتشفنا 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 حدود المادة، ويفصل بينها وسيط يشكل مركز المادة. وبالتالي، 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 للغاية” ، استنتج جو والمؤلفون المشاركون في تكنولوجيا النانو الطبيعة.

المرجع: “العوازل المترابطة وعوازل تشيرن في الجرافين الخماسي السطوح” بقلم تونغهانغ هان، وزينغقوانغ لو، وجيوفاني سكوري، وجيهو سونغ، وجوي وانغ، وتيان يي هان، وكينجي واتانابي، وتاكاشي تانيجوتشي، وهونغكون بارك، ولونغ جو، 5 أكتوبر 2023، تكنولوجيا النانو الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41565-023-01520-1

إلى جانب جو، مؤلفو الورقة هم تونغهانغ هان وزينغقوانغ لو، وهو 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 للفيزياء.

تم دعم هذا العمل من قبل زمالة سلون؛ مؤسسة العلوم الوطنية بالولايات المتحدة؛ مكتب وكيل وزارة الدفاع الأمريكي للأبحاث والهندسة؛ الجمعية اليابانية لتعزيز العلوم كاكينهي؛ أول مبادرة بحثية دولية عالمية في اليابان؛ ومكتب القوات الجوية الأمريكية للبحث العلمي.