“القواعد الذهبية” لبناء الكتل الذرية

طور الفيزيائيون تقنية لمحاذاة شبكات التموج الفائق بدقة، مما أحدث ثورة في إمكانية الجيل التالي من المادة الكمومية المتموجة.

طور الفيزيائيون في جامعة سنغافورة الوطنية (NUS) تقنية للتحكم الدقيق في محاذاة الشبكات فائقة التموج باستخدام مجموعة من القواعد الذهبية، مما يمهد الطريق لتقدم جيل جديد من المادة الكمومية المتموجة.

شعرية سوبرموري

تتشكل أنماط تموج في النسيج عندما يتم تركيب بنيتين دوريتين متماثلتين بزاوية الالتواء نسبية بينهما أو بنيتين دوريتين مختلفتين ولكن متراكبتين مع أو بدون زاوية الالتواء. زاوية الالتواء هي الزاوية بين التوجهات البلورية للهيكلين. على سبيل المثال، متى الجرافين ونيتريد البورون السداسي (hBN)، وهي مواد ذات طبقات، تتداخل مع بعضها البعض، ولا تصطف ذرات الهيكلين بشكل مثالي، مما يخلق نمطًا من هامش التداخل، يسمى نمط تموج في النسيج. وهذا يؤدي إلى إعادة البناء الإلكترونية.

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، يتم إنشاء بنية جديدة تسمى شبكة تموج في النسيج. بالمقارنة مع المواد المموجة التقليدية، تعمل شبكة التموج الفائقة هذه 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 وحقق بنجاح المحاذاة الخاضعة للرقابة لشبكة hBN/graphene/hBN الفائقة. تسمح هذه التقنية بالترتيب الدقيق لنمطين من تموج النسيج، أحدهما فوق الآخر. وفي الوقت نفسه، قام الباحثون أيضًا بصياغة “القاعدة الذهبية الثلاثة” لتوجيه استخدام أسلوبهم في إنشاء شبكات فائقة السرعة.

وقد نشرت النتائج مؤخرا في المجلة الاتصالات الطبيعية.

رسم توضيحي فني للشبكة الفائقة ذات الزوايا الملتوية (θt و θb) المتكونة بين الجرافين والطبقة العليا من نيتريد البورون السداسي (T-hBN) والطبقة السفلية من نيتريد البورون السداسي (B-hBN). يؤدي اختلال المحاذاة الطفيف إلى تكوين نمط شبكي فائق النعومة. الائتمان: اتصالات الطبيعة

التحديات والحلول

يمثل إنشاء شبكة جرافين فائقة الجودة ثلاثة تحديات رئيسية. أولاً، تعتمد المحاذاة البصرية التقليدية بشكل كبير على الحواف المستقيمة للجرافين، ولكن العثور على رقاقة جرافين مناسبة يستغرق وقتًا طويلاً ويتطلب عمالة مكثفة؛ ثانيًا، حتى لو تم استخدام عينة الجرافين ذات الحواف المستقيمة، فهناك احتمال صغير قدره 1/8 للحصول على شبكة فائقة المحاذاة مزدوجة، وذلك بسبب عدم اليقين بشأن عدم تناظر الحافة وتماثلها للشبكة. ثالثًا، على الرغم من إمكانية تحديد تناظر الحافة وتماثل الشبكة، غالبًا ما تكون أخطاء المحاذاة كبيرة (أكبر من 0.5 درجة) لأنه من الصعب فيزيائيًا محاذاة مادتين شبكيتين مختلفتين.

وقال الدكتور جونكسيونج هو، المؤلف الرئيسي لورقة البحث: “إن تقنيتنا تساعد في حل مشكلة حقيقية. أخبرني العديد من الباحثين أن جمع العينة يستغرق عادة ما يقرب من أسبوع. مع تقنيتنا، لا يمكنهم فقط تقليل وقت التصنيع بشكل كبير، ولكن أيضًا تحسين بشكل كبير دقة من العينة.

المعلومات التقنية

يستخدم العلماء في البداية “تقنية الدوران 30 درجة” للتحكم في محاذاة الطبقات العليا من hBN والجرافين. ثم يستخدمون “تقنية التقليب” للتحكم في محاذاة طبقات hBN العلوية والسفلية. بناءً على هاتين الطريقتين، يمكنهم التحكم في تناظر الشبكة وضبط بنية النطاق لشبكة الجرافين الفائقة. كما أظهروا أيضًا أن حافة الجرافيت المجاورة يمكن أن تكون بمثابة دليل لمحاذاة المكدس. في هذه الدراسة، صنعوا 20 عينة من تموج في النسيج بدقة أفضل من 0.2 درجة.

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

الأعمال المستقبلية

حاليًا، يقوم فريق البحث باستغلال هذه التقنية لتصنيع شبكة الجرافين الفائقة أحادية الطبقة واستكشاف الخصائص الفريدة لنظام المواد هذا. بالإضافة إلى ذلك، قاموا أيضًا بتوسيع التقنية الحالية لتشمل أنظمة مادية أخرى، من أجل اكتشاف ظواهر كمومية جديدة أخرى.

المرجع: “المحاذاة الخاضعة للرقابة لشبكة supermoire في هياكل متغايرة الجرافين ذات الانحياز المزدوج” بقلم Junxiong Hu، Junyou Tan، محمد M. العزي، Udvas Chattopadhyay، Jian Gou، Yuntian Zheng، Zihao Wang، Jiayu Chen، Reshmi Thottathil، Jiangbo Luo، كينجي واتانابي، تاكاشي تانيجوتشي، أندرو ثاي شين وي، شافيك آدم وأ. أرياندو، 12 يوليو 2023، الاتصالات الطبيعية.
دوى: 10.1038/s41467-023-39893-5