لینک کوتاه مطلب : https://hsgar.com/?p=5132

عایق یا ابررسانا؟ فیزیکدانان دریافتند که گرافن هر دو است | اخبار MIT

سخت است باور کنیم که یک ماده واحد را می توان با تعداد زیادی از گرافن توصیف کرد. از زمان کشف آن در سال 2004، دانشمندان دریافتند که ورقه توری و لانه زنبوری از اتم‌های کربن – اساسا میکروسکوپی‌ترین تراشیدن سرب مدادی که می‌توانید تصور کنید – نه تنها نازک‌ترین ماده شناخته شده در جهان است، بلکه بسیار سبک و انعطاف‌پذیر است. ، صدها برابر قوی تر از فولاد و رسانای الکتریکی بیشتر از مس است.

اکنون فیزیکدانان MIT و دانشگاه هاروارد دریافته‌اند که این ماده شگفت‌انگیز می‌تواند حتی خواص الکترونیکی عجیب‌تری از خود نشان دهد. در دو مقاله منتشر شده امروز در طبیعت، تیم گزارش می دهد که می تواند گرافن را تنظیم کند تا در دو حد الکتریکی رفتار کند: به عنوان یک عایق، که در آن الکترون ها به طور کامل از جریان جلوگیری می کنند. و به عنوان یک ابررسانا، که در آن جریان الکتریکی می تواند بدون مقاومت از آن عبور کند.

محققان در گذشته، از جمله این تیم، توانسته‌اند ابررساناهای گرافن را با قرار دادن مواد در تماس با فلزات ابررسانا دیگر سنتز کنند – آرایشی که به گرافن اجازه می‌دهد برخی رفتارهای ابررسانا را به ارث ببرد. این بار، تیم راهی برای ساخت ابررسانای گرافن به خودی خود پیدا کرد و نشان داد که ابررسانایی می‌تواند یک کیفیت ذاتی در مواد کاملاً مبتنی بر کربن باشد.

فیزیکدانان این کار را با ایجاد یک “ابر شبکه” از دو ورقه گرافن که روی هم چیده شده بودند – نه دقیقاً روی هم، بلکه با اندکی چرخش در یک “زاویه جادویی” 1.1 درجه انجام دادند. در نتیجه، الگوی لانه زنبوری شش ضلعی پوشانده شده اندکی منحرف می‌شود و یک پیکربندی دقیق موآر ایجاد می‌کند که پیش‌بینی می‌شود «برهم‌کنش‌های شدیداً مرتبط» بین الکترون‌های ورقه‌های گرافن را القا کند. در هر پیکربندی انباشته دیگری، گرافن ترجیح می‌دهد متمایز باقی بماند و با لایه‌های همسایه‌اش تعامل بسیار کمی داشته باشد، به صورت الکترونیکی یا دیگر.

این تیم به رهبری Pablo Jarillo-Herrero، دانشیار فیزیک در MIT، دریافتند که وقتی در زاویه جادویی می چرخند، دو ورقه گرافن رفتار نارسانایی از خود نشان می دهند، شبیه به یک کلاس عجیب از مواد معروف به عایق های موت. هنگامی که محققان سپس ولتاژ اعمال کردند و مقادیر کمی الکترون به ابرشبکه گرافن اضافه کردند، دریافتند که در یک سطح معین، الکترون‌ها از حالت عایق اولیه خارج شده و بدون مقاومت جریان می‌یابند، گویی از یک ابررسانا عبور می‌کنند.

Jarillo-Herrero می‌گوید: «ما اکنون می‌توانیم از گرافن به‌عنوان یک پلتفرم جدید برای بررسی ابررسانایی غیرمتعارف استفاده کنیم. همچنین می توان ساخت یک ترانزیستور ابررسانا از گرافن را تصور کرد که می توانید آن را روشن و خاموش کنید، از ابررسانا تا عایق. این فرصت‌های زیادی را برای دستگاه‌های کوانتومی باز می‌کند.»

تفسیری در مقیاس بزرگ از الگوهای موآر وقتی شکل می‌گیرد که یک شبکه گرافن در یک «زاویه جادویی» با توجه به شبکه گرافن دوم کمی بچرخد.

فاصله 30 ساله

توانایی یک ماده برای هدایت الکتریسیته معمولاً بر حسب باندهای انرژی نشان داده می شود. یک نوار منفرد نشان دهنده طیفی از انرژی است که الکترون های یک ماده می توانند داشته باشند. یک شکاف انرژی بین باندها وجود دارد و زمانی که یک باند پر می شود، یک الکترون باید انرژی اضافی را برای غلبه بر این شکاف تجسم کند تا باند خالی بعدی را اشغال کند.

ماده ای عایق در نظر گرفته می شود که آخرین باند انرژی اشغال شده کاملاً با الکترون پر شود. از سوی دیگر، هادی‌های الکتریکی مانند فلزات، نوارهای انرژی نیمه پر شده، با حالت‌های انرژی خالی را نشان می‌دهند که الکترون‌ها می‌توانند آنها را برای حرکت آزادانه پر کنند.

با این حال، عایق‌های موت، دسته‌ای از مواد هستند که از ساختار نواری خود برای رسانایی الکتریسیته ظاهر می‌شوند، اما وقتی اندازه‌گیری می‌شوند، مانند عایق‌ها رفتار می‌کنند. به طور خاص، نوارهای انرژی آنها نیمه پر است، اما به دلیل برهمکنش های الکترواستاتیکی قوی بین الکترون ها (مانند بارهایی با علامت مساوی که یکدیگر را دفع می کنند)، این ماده جریان الکتریکی را هدایت نمی کند. نوار نیمه پر اساساً به دو نوار مینیاتوری تقریباً مسطح تقسیم می شود که الکترون ها به طور کامل یک باند را اشغال می کنند و دیگری را خالی می گذارند و از این رو به عنوان یک عایق عمل می کنند.

Jarillo-Herrero توضیح می‌دهد: «این بدان معناست که همه الکترون‌ها مسدود شده‌اند، بنابراین به دلیل دافعه قوی بین الکترون‌ها یک عایق است، بنابراین هیچ چیز نمی‌تواند جریان داشته باشد. چرا عایق های Mott مهم هستند؟ به نظر می رسد که ترکیب اصلی اکثر ابررساناهای با دمای بالا یک عایق موت است.

به عبارت دیگر، دانشمندان راه‌هایی برای دستکاری خواص الکترونیکی عایق‌های موت برای تبدیل آن‌ها به ابررساناها در دمای نسبتاً بالای حدود 100 کلوین پیدا کرده‌اند. برای انجام این کار، آنها مواد را با اکسیژن “دوپ” شیمیایی می کنند، اتم های آن الکترون ها را از عایق موت خارج می کنند و فضای بیشتری برای جریان الکترون های باقی مانده باقی می گذارند. وقتی اکسیژن کافی اضافه می شود، عایق به یک ابررسانا تبدیل می شود. Jarillo-Herrero می گوید که این انتقال دقیقاً چگونه رخ می دهد، یک راز 30 ساله بوده است.

Jarillo-Herrero می‌گوید: «این مشکلی است که 30 سال است و همچنان حل نشده است. این ابررساناهای با دمای بالا تا حد مرگ مورد مطالعه قرار گرفته اند و رفتارهای جالب بسیاری دارند. اما نمی دانیم چگونه آنها را توضیح دهیم.»

یک چرخش دقیق

Jarillo-Herrero و همکارانش به دنبال یک پلتفرم ساده تر برای مطالعه چنین فیزیک غیر متعارفی بودند. در مطالعه خواص الکترونیکی در گرافن، تیم شروع به بازی با پشته های ساده ورقه های گرافن کرد. محققان ابتدا یک لایه گرافن را از گرافیت لایه برداری کردند، سپس با یک لام شیشه ای پوشیده شده با یک پلیمر چسبنده و یک ماده عایق از نیترید بور، نیمی از پوسته را با دقت برداشتند.

سپس اسلاید شیشه را خیلی کم چرخاندند و نیمه دوم پوسته گرافن را برداشتند و آن را به نیمه اول چسباندند. به این ترتیب، آنها یک ابرشبکه با الگوی افست ایجاد کردند که از شبکه لانه زنبوری اصلی گرافن متمایز است.

تیم این آزمایش را تکرار کرد و چندین «دستگاه» یا ابرشبکه گرافن با زوایای چرخش مختلف، بین 0 تا 3 درجه ایجاد کرد. آنها الکترودهایی را به هر دستگاه متصل کردند و جریان الکتریکی عبوری را اندازه گرفتند، سپس مقاومت دستگاه را با توجه به مقدار جریان اصلی که از آن عبور می کرد ترسیم کردند.

Jarillo-Herrero می‌گوید: «اگر شما در زاویه چرخش خود 0.2 درجه خاموش باشید، تمام فیزیک از بین رفته است. هیچ ابررسانایی یا عایق Mott ظاهر نمی شود. بنابراین شما باید در مورد زاویه تراز بسیار دقیق باشید.”

در 1.1 درجه – چرخشی که پیش‌بینی می‌شود یک “زاویه جادویی” باشد – محققان دریافتند که ابرشبکه گرافن از نظر الکترونیکی شبیه یک ساختار نواری تخت است، شبیه به عایق Mott، که در آن همه الکترون‌ها صرف‌نظر از تکانه‌شان انرژی یکسانی را حمل می‌کنند.

Jarillo-Herrero می‌گوید: «تصور کنید تکانه یک خودرو برابر جرم ضربدر سرعت است. اگر با سرعت 30 مایل در ساعت رانندگی می کنید، مقدار مشخصی انرژی جنبشی دارید. اگر با سرعت 60 مایل در ساعت رانندگی کنید، انرژی بسیار بالاتری دارید و اگر تصادف کنید، می توانید جسم بسیار بزرگتری را تغییر شکل دهید. این چیزی است که می گوید، مهم نیست که شما با سرعت 30 یا 60 یا 100 مایل در ساعت بروید، همه آنها انرژی یکسانی خواهند داشت.

“جریان به صورت رایگان”

برای الکترون ها، این بدان معناست که، حتی اگر آنها یک نوار انرژی نیمه پر را اشغال کرده باشند، یک الکترون بیش از هر الکترون دیگری انرژی ندارد تا بتواند در آن نوار حرکت کند. بنابراین، اگرچه چنین ساختار نواری نیمه پر باید مانند یک رسانا عمل کند، در عوض به عنوان یک عایق – و به طور دقیق تر، یک عایق Mott عمل می کند.

این به تیم این ایده را داد: اگر آنها بتوانند الکترون‌ها را به این ابرشبکه‌های موت‌مانند اضافه کنند، چه اتفاقی می‌افتد. آیا گرافن به نوبه خود دارای ویژگی های ابررسانایی است؟

برای پی بردن به این موضوع، آنها یک ولتاژ دروازه کوچک به “ابرشبکه گرافن با زاویه جادویی” اعمال کردند و مقادیر کمی الکترون را به ساختار اضافه کردند. در نتیجه، تک تک الکترون‌ها با الکترون‌های دیگر در گرافن به هم متصل می‌شوند و به آن‌ها اجازه می‌دهند در جایی که قبلاً نمی‌توانستند جریان پیدا کنند. در تمام طول مدت، محققان به اندازه‌گیری مقاومت الکتریکی ماده ادامه دادند و دریافتند که وقتی مقدار معین و کمی الکترون اضافه می‌کنند، جریان الکتریکی بدون اتلاف انرژی جریان می‌یابد – درست مانند یک ابررسانا.

Jarillo-Herrero می‌گوید: «شما می‌توانید جریان را به صورت رایگان، بدون هدر دادن انرژی، جریان دهید، و این نشان می‌دهد که گرافن می‌تواند یک ابررسانا باشد».

شاید مهم‌تر از آن، او می‌گوید که محققان می‌توانند گرافن را به گونه‌ای تنظیم کنند که به‌عنوان یک عایق یا یک ابررسانا و هر فازی در بین آن رفتار کند و همه این ویژگی‌های متنوع را در یک دستگاه واحد نشان دهد. این برخلاف روش‌های دیگر است که در آن دانشمندان مجبور به رشد و دستکاری صدها کریستال منفرد شده‌اند، که هر کدام می‌توانند فقط در یک فاز الکترونیکی رفتار کنند.

Jarillo-Herrero می‌گوید: «معمولاً برای کشف هر مرحله باید کلاس‌های مختلفی از مواد را پرورش دهید. “ما این کار را انجام می دهیم در موقعیت، در یک شات، در یک دستگاه کاملا کربنی. ما می‌توانیم همه آن فیزیک را در یک دستگاه به صورت الکتریکی بررسی کنیم، نه اینکه صدها دستگاه بسازیم. ساده تر از این نمی شد.»

این تحقیق تا حدی توسط بنیاد گوردون و بتی مور و بنیاد ملی علوم پشتیبانی شد.

لینک منبع

ارسال یک پاسخ

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.