6 دقیقه
پارادایم جدیدی در علم مواد
دانشمندان دانشگاه راتگرز–نیو برانزویک از ایجاد یک کلاس مادهٔ پیش‌تر ناشناخته گزارش داده‌اند که آن را «اینترکریستالها» نامیده‌اند. این ساختارهای لایهای رفتارهای الکترونیکی متفاوتی نسبت به بلورهای معمولی و کوآزی‌بلورها نشان میدهند و میتوانند رویکردها به الکترونیک، دستگاه‌های کوانتومی و طراحی مواد پایدار را بازتعریف کنند. مطالعه‌ای که در Nature Materials منتشر شده نشان می‌دهد چگونه تغییرات هندسی کوچک در مقیاس اتمی میتواند حرکت الکترونها را به‌طور چشمگیری تغییر دهد و پدیده‌های نوظهری مانند ابررسانایی و مغناطیس را فعال کند.
چگونگی ساخت اینترکریستالها: مهندسی مورِه و توئیسترونیکس
تیم راتگرز اینترکریستالها را با قراردادن دو لایهٔ گرافن—هر کدام تنها یک اتم ضخامت و مرتب شده در شبکهٔ شش‌ضلعی مانند کندوی عسل—روی یک بلور نیترید بور شش‌ضلعی (hBN) ساخت. با چرخاندن لایههای گرافن نسبت به یکدیگر و نسبت به بستر hBN با زاویه‌ای جزئی، پژوهشگران الگوهای مورِه (moiré) ایجاد کردند: الگوهای تداخلی با مقیاس بزرگ که وقتی دو شبکهٔ تناوبی نامنطبق میشوند پدید می‌آیند. این ابرشبکههای مورِه که محور زمینهٔ توئیسترونیکس هستند، به‌عنوان یک پتانسیل تناوبی جدید عمل میکنند که نحوهٔ انتشار الکترونها در ماده را بازشکل می‌دهد.
توئیسترونیکس چیست؟
توئیسترونیکس یک راهبرد طراحی مواد است که در آن خواص الکترونیکی با چرخاندن لایههای اتمی نازک نسبت به هم تنظیم میشوند. زاویهٔ نسبی الگوهای مورِه را تغییر می‌دهد و بنابراین چشم‌انداز الکترونیکی مؤثر را عوض می‌کند. توئیسترونیکس که بیش از یک دهه پیش توسط گروه راتگرز مورد بررسی اولیه قرار گرفت، از آن زمان به یک مسیر قدرتمند برای مهندسی فازهای الکترونی همبسته، از جمله ابررسانایی غیرمرسوم و حالت‌های عایق، بدون تغییر در ترکیب شیمیایی تبدیل شده است.
یافته‌های کلیدی: الکترونها تحت کنترل هندسه
این مطالعه نشان می‌دهد اینترکریستالها در فضای میانی بین بلورهای معمولی و کوآزی‌بلورها قرار دارند. در حالی که بلورها دارای تقارن انتقالی تکرارشونده‌اند و کوآزی‌بلورها الگوهای مرتب اما غیرتکرارشونده را نشان میدهند، اینترکریستالها عناصر هر دو را ترکیب میکنند: آنها میتوانند آرایش‌های مورِهٔ غیرتکرارشونده‌ای نشان دهند اما روابط تقارنی‌ای حفظ کنند که رفتار الکترون را به‌طور قابل‌تأثیری تحت‌تأثیر قرار می‌دهد.
از آنجایی که باندهای الکترونیکی در اینترکریستالها توسط هندسه به‌جای شیمی تعیین میشوند، تنظیمات کوچک در زاویهٔ پیچش یا ترازسازی منجر به تغییرات بزرگ در هدایتی، خواص مغناطیسی و گرایش به ابررسانایی می‌شود. همان‌طور که نویسندهٔ مسئول ایوا اندری می‌گوید، این به پژوهشگران «اهرم جدیدی» می‌دهد تا فازهای الکترونیکی را تنها با طراحی هندسی کنترل کنند. هم‌نویسندهٔ جدیدیا پیکسلی اضافه می‌کند که میتوان تصور کرد کل معماری دستگاه‌ها جایی باشد که سویچینگ، حس‌گری و مسیریابی سیگنال‌ها توسط هندسهٔ مقیاس اتمی به‌جای ساختارهای پیچیدهٔ چندماده‌ای هدایت شود.
پیش‌زمینهٔ علمی و جزئیات تجربی
این آزمایش ترکیب انتقال لایه با دقت بالا و تکنیک‌های تراز اتمی را برای تضمین زوایای پیچش کنترل‌شده بین ورق‌های گرافن و بستر hBN به‌کار گرفت. سپس اندازه‌گیری‌های انتقال الکترونیکی و طیف‌سنجی برای ترسیم واکنش الکترونها در پیکربندی‌های هندسی مختلف مورد استفاده قرار گرفت. داده‌های حاصل ساختار باند نوظهور و حالت‌های همبسته‌ای را نشان داد که با تغییرات ساختاری کوچک به‌سرعت تغییر میکنند—که مشخصهٔ رفتار بین‌بلوری است.
چرا هندسه اهمیت دارد
الکترونها در جامدات در باندهای انرژی‌ای قرار می‌گیرند که توسط آرایش اتم‌ها تعیین می‌شود. در یک بلور منظم، محدودیت‌های تقارنی آن باندها را قابل‌پیش‌بینی می‌کند. ایجاد یک الگوی مورِه در واقع یک پتانسیل تناوبی جدید با مقیاس طولی بسیار بزرگ‌تر ایجاد می‌کند و پهنای باند و شدت برهم‌کنش‌ها را تغییر می‌دهد. در اینترکریستالها تأثیر ترکیبی شبکه‌های زیرین و ابرشبکهٔ مورِه منجر به ناهمگونی هندسی و فازهای الکترونیکی جدید می‌شود.
پیامدها: کاربردها، پایداری و فناوریهای آینده
اینترکریستالها میتوانند الکترونیک با تلفات کم و حسگرهای فشرده در مقیاس اتمی را ممکن سازند که هر دو برای محاسبات کوانتومی و فناوریهای مصرفی پیشرفته اهمیت دارند. توانایی تنظیم ابررسانایی و نظم مغناطیسی از طریق هندسه مسیرهایی را برای ترانزیستورهای کممصرف، اجزای نورومورفیک و عناصر کوانتومی روی تراشه باز می‌کند که به افزودنی‌های شیمیایی یا مراحل ساخت پیچیده کمتری نیاز دارند.
پایداری مزیت بالقوهٔ دیگری است: اینترکریستالها میتوانند از عناصر فراوان و غیرسمی مانند کربن، بور و نیتروژن ساخته شوند و جایگزینی مقیاس‌پذیرتر برای دستگاه‌هایی ارائه دهند که بسته به مواد خاکی کمیاب یا مشکلات زیست‌محیطی دارند.
دیدگاه کارشناسان
دکتر میریم اورتگا، فیزیکدان مواد که در این مطالعه مشارکت نداشت، می‌گوید: «این کار نشان‌دهندهٔ اهمیت مهندسی مورِه در تولید فازهای واقعاً جدید ماده است. کنترل برهم‌کنش‌های الکترونیکی توسط هندسه تکیه بر روش‌های مبتنی بر شیمی را کاهش می‌دهد و میتواند معماری دستگاه‌ها را ساده‌تر کند. چالش اکنون بازتولیدپذیری و یکپارچه‌سازی این ساختارها در فرایندهای تولید قابل‌گسترش است.»
فناوری‌ها و مسیرهای پژوهشی مرتبط
این کشف مستقیماً به پژوهش‌های جاری در توئیسترونیکس، ابرساختارهای واندروالسی (van der Waals heterostructures) و مواد کوانتومی مرتبط است. گام‌های بعدی شامل بررسی دامنه وسیع‌تری از زاویه‌های پیچش و انتخاب بسترها، بهبود بازده ساخت، و کاوش پایداری دینامیکی و گرمایی خواهد بود. یکپارچه‌سازی با پلتفرم‌های نیمه‌هادی موجود و توسعهٔ اثرات مقاوم در دمای اتاق اهداف مهندسی مهمی باقی می‌مانند.
نتیجه‌گیری
اینترکریستالها یک اهرم جدید در طراحی مواد معرفی میکنند: هندسه در مقیاس اتمی. با قرار دادن و چرخاندن لایههای اتمی نازکی مانند گرافن روی نیترید بور، پژوهشگران میتوانند ابرشبکههای مورِه ایجاد کنند که رفتار الکترون را بازشکل میدهند و فازهای نوظهور ابررسانایی و مغناطیسی تولید میکنند. این کنترل هندسی نوید مسیرهایی به سوی الکترونیک کممصرف، دستگاه‌های کوانتومی نو و سامانه‌های مواد پایدارتر را می‌دهد. با بهبود تکنیک‌های تجربی و رشد نظریه، ممکن است اینترکریستالها به بلوک‌های بنیادین فناوریهای نسل بعد تبدیل شوند.
منبع: scitechdaily
.avif)
نظرات