كشف باحثو NIST الذين يدرسون طبقات الجرافين الملتوية عن "مسطرة كمومية" لدراسة الخصائص الفريدة للمادة. تتمتع طبقة الكربون التي يبلغ سمكها ذرة واحدة والمعروفة باسم الجرافين بخصائص استثنائية في حد ذاتها. ومع ذلك، تصبح الأمور أكثر إثارة للاهتمام إذا قمت بتكديس رقائق متعددة من هذه المادة ثنائية الأبعاد. عندما يتم تكديس ورقتين أو أكثر من الجرافين معًا وتصبح غير محاذية - ملتوية بزاوية بالنسبة لبعضها البعض - فإنها تكتسب مجموعة من الخصائص الغريبة.
يصور الرسم التوضيحي طبقتين من الجرافين (طبقتين ثنائيتين) يستخدمهما فريق NIST في تجارب لدراسة بعض الخصائص الغريبة للمواد الكمومية المموجة. الشكل الداخلي الموجود على اليسار عبارة عن منظر علوي لقسمين من طبقة الجرافين ثنائية الطبقة، يُظهر أنماط تموج في النسيج التي تتشكل عندما يتم لف إحدى طبقات الجرافين ثنائية الطبقة بزاوية صغيرة بالنسبة إلى طبقة الجرافين الثنائية الأخرى. المصدر: ب. هايز/NIST
اعتمادًا على زاوية الالتواء، يمكن لهذه المواد، المعروفة باسم المادة الكمومية المولية، أن تولد فجأة مجالاتها المغناطيسية الخاصة، أو تصبح موصلات فائقة بدون مقاومة، أو على العكس من ذلك، تصبح عوازل مثالية.
قام جوزيف أ. ستروسسيو وزملاؤه في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) بالتعاون الدولي بتطوير "مسطرة كمومية" لقياس واستكشاف الخصائص الغريبة لهذه المواد الملتوية. يمكن أن يؤدي هذا العمل أيضًا إلى معيار مقاومة مصغر جديد يمكنه معايرة الأجهزة الإلكترونية مباشرة على أرضية المصنع، بدلاً من إرسالها إلى مختبر معايير خارج الموقع.
ابتكرت فيريشتي غاهاري -عالِمة الفيزياء بجامعة جورج ماسون في فيرفاكس بولاية فيرجينيا، والمؤلفة المشاركة في الدراسة- جهازًا موليًا للمادة الكمومية باستخدام طبقتين من الجرافين يبلغ قطرهما حوالي 20 ميكرون (يُطلق عليهما طبقة الجرافين الثنائية)، ملتوية بالنسبة إلى طبقتين أخريين من الجرافين. قام غاهاري ببناء الجهاز باستخدام مرافق التصنيع النانوي في مركز NIST لعلوم وتكنولوجيا النانو.
ثم قام الباحثون في NIST Marlou Slot وYulia Maximenko بتبريد جهاز المادة الملتوية إلى واحد بالمائة فوق الصفر المطلق، مما يقلل من الحركة العشوائية للذرات والإلكترونات ويحسن قدرة الإلكترونات في المادة على التفاعل. وبعد الوصول إلى درجات حرارة منخفضة للغاية، درسوا كيفية تغير مستويات طاقة الإلكترونات في طبقة الجرافين عند تغيير قوة مجال مغناطيسي خارجي قوي. يعد قياس مستويات طاقة الإلكترونات ومعالجتها أمرًا بالغ الأهمية لتصميم وتصنيع أجهزة أشباه الموصلات.
يصور هذا المنظر المكبر لنقطة في مادة كمومية متموجة مستويات طاقة تشبه الدرج للإلكترونات (نقاط حمراء وزرقاء على اليمين). تشبه خلفية السلم رسمًا بيانيًا للطاقة، مما يشير إلى أن مستويات الطاقة المقاسة يمكن أن تكون بمثابة نوع من المسطرة الكمومية لتحديد الخواص الكهربائية والمغناطيسية للمواد. المصدر: المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا/ب. هايز
حركة الإلكترون ومستويات الطاقة
لقياس مستويات الطاقة، استخدم الفريق مجهرًا نفقيًا ماسحًا متعدد الاستخدامات، صممه وصنعه ستريسيو في NIST. عندما طبق الباحثون جهدًا كهربائيًا على طبقة الجرافين الثنائية في مجال مغناطيسي، سجل المجهر تيارات كهربائية صغيرة تنتجها الإلكترونات "التي تنفق" من المادة إلى طرف مسبار المجهر.
في المجال المغناطيسي، تتحرك الإلكترونات في مسارات دائرية. عادةً ما تكون للمدارات الدائرية للإلكترونات في المواد الصلبة علاقة خاصة مع المجال المغناطيسي الخارجي: نظرًا للخصائص الكمومية للإلكترونات، فإن المنطقة المحاطة بكل مدار دائري مضروبة في المجال المغناطيسي الخارجي لا يمكن أن تحصل إلا على مجموعة ثابتة من القيم المنفصلة. للحفاظ على منتج ثابت، إذا انخفض المجال المغناطيسي إلى النصف، فيجب مضاعفة المساحة المحاطة بمدار الإلكترون.
يمكن استخدام فرق الطاقة بين مستويات الطاقة المتعاقبة التي تتبع هذه القاعدة، مثل علامات التجزئة على المسطرة، لقياس الخواص الإلكترونية والمغناطيسية للمادة. ويمثل أي انحراف طفيف عن هذا النمط مسطرة كمومية جديدة تعكس الخصائص المغناطيسية المدارية لمادة تموج في النسيج الكمومية المحددة التي يدرسها الباحثون.
الاكتشاف والتأثير
في الواقع، عندما قام باحثو NIST بتغيير المجال المغناطيسي المطبق على طبقة ثنائية من الجرافين المموج، وجدوا دليلاً على وجود المسطرة الكمومية الجديدة في العمل. المساحة المحاطة بالمدار الدائري للإلكترون مضروبة في المجال المغناطيسي الخارجي لم تعد تساوي قيمة ثابتة. بدلًا من ذلك، يتم إزاحة ناتج هذين الرقمين بمقدار يعتمد على مغنطة الجرافيت ثنائي الطبقة.
يُترجم هذا الانحراف إلى مجموعة مختلفة من علامات التجزئة لمستويات طاقة الإلكترون. ومن المتوقع أن تلقي النتائج ضوءًا جديدًا على كيفية إنشاء الإلكترونات المحصورة في صفائح الجرافين الملتوية لخصائص مغناطيسية جديدة.
وقال ستريسيو: "باستخدام المسطرة الكمومية الجديدة لدراسة كيفية تغير المدارات الدائرية مع المجالات المغناطيسية، نأمل في الكشف عن الخصائص المغناطيسية الدقيقة لهذه المواد الكمومية المموجة".
يتم احتجاز الإلكترونات الموجودة في المواد المولية الكمومية بواسطة إمكانات كهربائية على شكل كرتونة البيض؛ تتركز الإلكترونات في الوديان (حالات الطاقة المنخفضة) في كرتونة البيض. المصدر: س. كيلي/NIST
في المواد الكمومية المولية، تمتلك الإلكترونات مجموعة من الطاقات المحتملة - العالية والمنخفضة، على شكل كرتونة البيض - والتي يتم تحديدها بواسطة المجال الكهربائي للمادة. تتركز الإلكترونات في الحالات أو الوديان ذات الطاقة المنخفضة للكرتون. قال عالم الفيزياء النظرية بول هاني، إن التباعد الكبير بين الوديان في الجرافين مزدوج الطبقة، وهو أكبر من التباعد بين الذرات في أي جرافين أحادي الطبقة أو جرافين متعدد الطبقات غير مجدول، هو المسؤول عن بعض المغناطيسية غير العادية التي وجدها الفريق.
يصف الباحثون، بما في ذلك زملاء من جامعة ميريلاند، كوليدج بارك، ومعهد الكم المشترك، وهو معهد بحث تعاوني بين NIST وجامعة ميريلاند، عملهم في مجلة Science.
الآفاق المستقبلية والتطبيقات
نظرًا لأنه يمكن تحقيق خصائص مولات المادة الكمومية عن طريق اختيار زوايا ملتوية محددة وعدد الطبقات الذرية الرفيعة، فمن المتوقع أن توفر القياسات الجديدة فهمًا أعمق لكيفية قيام العلماء بتصميم وتحسين الخصائص المغناطيسية والإلكترونية للمواد الكمومية لتلبية احتياجات مجموعة واسعة من التطبيقات في الإلكترونيات الدقيقة والمجالات ذات الصلة. على سبيل المثال، من المعروف أن الموصلات الفائقة فائقة الرقة هي كاشفات حساسة للغاية للفوتون الواحد، وتعد الموصلات الفائقة المموجة الكمومية من بين الموصلات الفائقة الأكثر نحافة.
فريق NIST مهتم أيضًا بتطبيق آخر: في ظل الظروف المناسبة، يمكن أن توفر مولات المادة الكمومية معيارًا جديدًا أسهل في الاستخدام للمقاومة الكهربائية.
يعتمد المعيار الحالي على قيمة المقاومة المنفصلة للمادة عندما تتعرض الإلكترونات الموجودة في طبقة ثنائية الأبعاد لمجال مغناطيسي قوي. تسمى هذه الظاهرة تأثير هول الكمي وتنشأ من مستويات الطاقة الكمية للإلكترونات في المدارات الدائرية التي تمت مناقشتها أعلاه. يمكن استخدام قيم المقاومة المنفصلة لمعايرة المقاومة في مجموعة متنوعة من الأجهزة الكهربائية. ومع ذلك، نظرًا للمجالات المغناطيسية القوية المطلوبة، لا يمكن إجراء المعايرة إلا في مرافق القياس مثل NIST.
وقال ستريشيو إنه إذا تمكن الباحثون من التعامل مع المادة المولية الكمومية بحيث تنتج مغنطة صافية بدون مجال مغناطيسي خارجي، فقد يكون من الممكن استخدامها لإنشاء معيار مقاومة جديد ومحمول وأكثر دقة يُعرف باسم معيار مقاومة هول الكمي الشاذ. يمكن إجراء معايرة المعدات الإلكترونية في موقع التصنيع، مما يوفر ملايين الدولارات.