“القواعد الذهبية” لبناء الكتل الذرية

طوّر الفيزيائيون تقنية لمحاذاة الشبكات الفائقة الحركة بدقة، مما أحدث ثورة في احتمالات الجيل القادم من المادة الكمومية المموجة.

طور الفيزيائيون في جامعة سنغافورة الوطنية (NUS) تقنية للتحكم بدقة في محاذاة الشبكات الفائقة الحركة باستخدام مجموعة من القواعد الذهبية، مما يمهد الطريق للجيل القادم من المادة الكمومية المموجة.

لاتيه سوبرموير

تتشكل أنماط تموج في النسيج عندما يتم تركيب بنيتين دوريتين متطابقتين مع زاوية ملتوية مقابلة بينهما أو بنيتين دوريتين مختلفتين ولكن مع أو بدون زاوية ملتوية. زاوية الالتواء هي الزاوية بين التوجهات البلورية لبنائين. على سبيل المثال، متى الجرافين والمواد ذات الطبقات السداسية من نيتريد البورون (hBN) تتداخل مع بعضها البعض، ولا تصطف الذرات الموجودة في الهيكلين بشكل مثالي، وتشكل نمطًا من هامش التداخل، المعروف باسم نمط تموج في النسيج. وهذا يؤدي إلى إعادة التركيب الإلكتروني.

تم استخدام نمط تموج في النسيج في الجرافين وhBN لإنشاء هياكل جديدة ذات خصائص غريبة مثل التيارات الطوبولوجية وحالات فراشة هوفستاتر. عندما يتم تكديس اثنين من أنماط تموج في النسيج معًا، يتم إنشاء بنية جديدة تسمى شبكة تموج في النسيج. بالمقارنة مع المواد المموجة التقليدية، تعمل هذه الشبكة فائقة التموج على توسيع نطاق خصائص المواد القابلة للضبط مما يسمح بالاستخدام المحتمل في مجموعة واسعة من التطبيقات.

إنجازات قسم الفيزياء بجامعة سنغافورة الوطنية

قام فريق بحث بقيادة البروفيسور أرياندو من قسم الفيزياء في جامعة سنغافورة الوطنية بتطوير تقنية ونجح في تحقيق المحاذاة الخاضعة للرقابة لشبكة hBN / الجرافين / hBN الفائقة. تسمح هذه التقنية بالترتيب الدقيق لنمطين من التموج في النسيج، أحدهما فوق الآخر. وفي الوقت نفسه، قام الباحثون بصياغة “القاعدة الذهبية الثلاثة” لتوجيه استخدام أسلوبهم في إنشاء شبكات فائقة الحركة.

وقد نشرت النتائج مؤخرا في المجلة التواصل الطبيعي.

رسم توضيحي فني لشبكة شبكية ذات زوايا ملتوية (θt و θb) مكونة بين الجرافين ونيتريد البورون السداسي ذو الطبقة العليا (T-hBN) ونيتريد البورون السداسي ذو الطبقة السفلية (B-hBN). يؤدي عدم المحاذاة الصغيرة إلى إنشاء نمط شبكي فائق النعومة. الائتمان: اتصالات الطبيعة

التحديات والحلول

هناك ثلاثة تحديات رئيسية في إنشاء شبكات فائقة الجودة من الجرافين. أولاً، تعتمد المحاذاة البصرية التقليدية على الحواف المستقيمة للجرافين، ولكن العثور على رقائق الجرافين المناسبة يستغرق وقتًا طويلاً ويتطلب عمالة مكثفة؛ ثانيًا، حتى لو تم استخدام نموذج جرافين ذو حافة مستقيمة، فهناك احتمال أقل بنسبة 1/8 للحصول على شبكة سوبرمور ذات محاذاة مزدوجة بسبب عدم تناظر الحافة وعدم اليقين من تناظر الشبكة. ثالثًا، حتى عندما يتم تحديد تناظر الحافة وتماثل الشبكة، فغالبًا ما تكون أخطاء المحاذاة كبيرة (أكثر من 0.5 درجة) لأنه من الصعب جسديًا محاذاة مادتين شبكيتين مختلفتين.

وقال المؤلف الرئيسي للورقة البحثية د. وقال Junxiong Hu، “إن أسلوبنا يساعد في حل مشكلة الحياة الحقيقية. أخبرني العديد من الباحثين أن بناء النموذج يستغرق عادةً أسبوعًا. بفضل تقنيتنا، لا يمكنهم تقليل وقت التصنيع بشكل كبير فحسب، بل يمكنهم أيضًا تحسينه بشكل كبير دقة من النموذج.”

الذكاء الفني

استخدم العلماء في البداية “تقنية الدوران 30 درجة” للتحكم في محاذاة طبقات hBN العليا والجرافين. ثم يستخدمون “تقنية الانقلاب” للتحكم في محاذاة طبقات hBN العلوية وطبقات hBN السفلية. واستنادًا إلى هاتين الطريقتين، يمكنهم التحكم في تماثل الشبكة وتعديل بنية النطاق لشبكة الجرافين الفائقة. لقد أظهروا أيضًا أن حافة الجرافيت المجاورة يمكن أن تكون بمثابة دليل لمحاذاة التراص. في هذه الدراسة، قاموا بإنشاء 20 نموذجًا تموج في النسيج بدقة أفضل من 0.2 درجة.

وقال البروفيسور أرياندو: “لقد وضعنا ثلاث قواعد ذهبية لتقنيتنا التي من شأنها أن تساعد العديد من الباحثين في مجتمع المواد ثنائية الأبعاد. من المتوقع أن يستفيد من عملنا العديد من العلماء الذين يعملون على أنظمة أخرى مترابطة بقوة، مثل الجرافين ثنائي الطبقة الملتوي ذو الزاوية السحرية أو الجرافين متعدد الطبقات المتراص ABC. مع هذا التقدم التكنولوجي، آمل أن يؤدي ذلك إلى تسريع عملية تطوير الجيل القادم من المادة الكمومية المموجة.

المساعي المستقبلية

حاليًا، يقوم فريق البحث بتطوير هذه التقنية لإنشاء شبكة جرافين فائقة الجودة أحادية الطبقة واستكشاف الخصائص الفريدة لنظام المواد هذا. علاوة على ذلك، قاموا بتوسيع التقنية الحالية لتشمل أنظمة مادية أخرى لاكتشاف ظواهر كمومية جديدة أخرى.

المرجع: جونكسيونج هو، جونيو تان، محمد م. العزي، أودواس تشاتوبادياي، جيان جو، يونديان تشنغ، زيهاو وانغ، جيايو تشين، لوجي تانغبو، ريشمي تانغبو، ريشمي تانغبو، ريشمي تانغبو واتانابي، تاكاشي تانيجوتشي، أندرو تاي شين وي، شفيق آدم، وأ. أرياندو، 12 يوليو 2023، التواصل الطبيعي.
دوى: 10.1038/s41467-023-39893-5