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

عزل المقاييس الرفيعة التي يمكن ضبطها لإظهار ثلاث خصائص مهمة.

معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا تمكن الفيزيائيون من عزل خمس رقائق رقيقة للغاية مكدسة بترتيب معين وحولت الجرافيت أو قلم الرصاص إلى ذهب. يمكن ضبط المادة الناتجة لإظهار ثلاث خصائص رئيسية لم يسبق لها مثيل في الجرافيت الطبيعي.

قال لونغ تشو، الأستاذ المساعد في قسم الفيزياء بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والمؤلف الرئيسي لهذا العمل، كما ورد في عدد 5 أكتوبر: “إنه مثل التسوق في مكان واحد”. تكنولوجيا النانو الطبيعة. “الطبيعة لديها العديد من المفاجآت. في هذه الحالة، لم ندرك أبدًا أن كل هذه الأشياء المثيرة للاهتمام كانت مدمجة في الجرافيت.

ويقول: “إنها مادة نادرة جدًا للعثور على مواد يمكنها توفير هذه الخصائص العديدة”.

صعود “Twitronics”.

الجرافيت الجرافينوهي عبارة عن طبقة واحدة من ذرات الكربون مرتبة في أشكال سداسية مثل هيكل قرص العسل. لقد كان الجرافين محورًا للبحث المكثف منذ أن تم عزله لأول مرة منذ أكثر من 20 عامًا. منذ حوالي خمس سنوات، اكتشف الباحثون، بما في ذلك فريق من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، أنه من خلال تكديس صفائح فردية من الجرافين ولفها بزاوية صغيرة، يمكنهم إعطاء المادة خصائص جديدة، بدءًا من الموصلية الفائقة وحتى المغناطيسية. ولد مجال “Twitronics”.

وفي العمل الحالي، “اكتشفنا خصائص مثيرة للاهتمام”، كما يقول تشو، التابع لمختبر أبحاث المواد.

عرض فني للتفاعل الإلكتروني، أو قدرة الإلكترونات على التحدث مع بعضها البعض، والذي يمكن أن يحدث 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 تشو إن هذه الظاهرة، التي تسمى التفاعل 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. قام تشو وزملاؤه بعزل المادة، التي أطلقوا عليها اسم الجرافين المكدس ذو الطبقات الخماسية، لتصبح أكثر من مجرد مجموع أجزائها.

المجهر الجديد واختراعاته

المفتاح لعزل المادة هو أ مجهر رواية تم بناؤه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في يونيو 2021، ويمكنه تحديد مجموعة متنوعة من الخصائص الرئيسية للمادة بسرعة وبتكلفة زهيدة نسبيًا. مقياس النانو. يبلغ سمك الجرافين المكدس ذو الطبقة الخماسية السطوح بضعة أجزاء من المليار من المتر.

بحث العلماء، بما في ذلك تشو، عن جرافين متعدد الطبقات مكدسًا بترتيب دقيق جدًا يسمى التراص المعيني. يقول تشو: “هناك أكثر من 10 أوامر تخزين عندما تصل إلى خمسة مستويات. Rhombohedral هو واحد منهم. سمح المجهر الذي صنعه زو، والمعروف باسم الفحص المجهري البصري للحقل القريب من النوع المبعثر، أو s-SNOM، للعلماء بتحديد وعزل الطبقات الخماسية فقط في ترتيب التراص المعيني الذي كانوا مهتمين به.

مجموعة متنوعة من الأحداث المادية

ومن هناك، قام الفريق بتوصيل أقطاب كهربائية إلى شطيرة صغيرة من “خبز” نيتريد البورون الذي يحمي “اللحم” الرقيق من الجرافين الخماسي السطوح المكدس. سمحت الأقطاب الكهربائية بضبط النظام على الفولتية أو مستويات مختلفة من الكهرباء. الاستنتاج: اكتشفوا ظهور ثلاث ظواهر مختلفة اعتمادا على عدد الإلكترونات التي تغمر النظام.

يوجد في المختبر زميل ما بعد الدكتوراه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا Zhengguang Lu، والأستاذ المساعد Long Zhu، وطالب الدراسات العليا Donggang Han. شارك الثلاثة في تأليف ورقة بحثية حول نوع خاص من الجرافيت (قلم الرصاص) في تكنولوجيا النانو الطبيعية، إلى جانب سبعة آخرين. الائتمان: مختبر حديقة الحيوان

يقول تشو: “لقد وجدنا أن المادة يمكن أن تكون عازلة، أو مغناطيسية، أو طوبولوجية”. ويرتبط هذا الأخير إلى حد ما بكل من الموصلات والعوازل. يوضح تشو أن المادة الطوبولوجية تسمح بحركة الإلكترونات دون عوائق حول حواف المادة، ولكن ليس في المنتصف. تنتقل الإلكترونات في اتجاه واحد على طول “طريق سريع” على طول حافة المادة، التي تشكل قلب المادة. لذا فإن حافة المادة الطوبولوجية هي موصل مثالي، في حين أن المركز عبارة عن عازل.

وخلص تشو ومؤلفوه المشاركون إلى أن “عملنا يؤسس للجرافين متعدد الطبقات المكدس المعيني كمنصة قابلة للضبط بدرجة كبيرة لاستكشاف هذه الإمكانيات الجديدة للفيزياء الطوبولوجية والمترابطة بقوة”. تكنولوجيا النانو الطبيعة.

المرجع: Donghong Han، Zhengguang Lu، Giovanni Scouri، Jiho Sung، Zhu Wang، Tianyi Han، Kenji Watanabe، Takashi Taniguchi، 2 أكتوبر 2012 في Honggun Park 2 تكنولوجيا النانو الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41565-023-01520-1

إلى جانب تشو، مؤلفو الورقة هم دونغ قانغ هان وزينغ قوانغ لو. هان طالب دراسات عليا في قسم الفيزياء. مساعد ما بعد الدكتوراه في مختبر أبحاث المواد. كلاهما مؤلفان مشاركان في الورقة.

ومن بين المؤلفين الآخرين جيوفاني سكوري، وجيهو سونغ، وجو وانغ، وهونجيون 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 كاكينهي؛ مبادرة الأبحاث الدولية الرائدة عالميًا في اليابان؛ ومكتب القوات الجوية الأمريكية للبحث العلمي.