قام فيزيائيون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ببناء طريق سريع كمي مكون من خمسة حارات للإلكترونات

مع لقد ابتكر الفيزيائيون نمطًا جديدًا الجرافينيشكل طريقًا سريعًا إلكترونيًا خماسي الاتجاهات يسمح بحركة الإلكترون فائقة الكفاءة دون فقدان الطاقة.

هذا الاختراق في الجرافين الخماسي السطوح يمكن أن يحول الأجهزة الإلكترونية منخفضة الطاقة ويعمل من خلال تأثير هول الكمي الشاذ عند مجال مغناطيسي صفر.

أنشأ فيزيائيون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) ومعاونوهم طريقًا سريعًا مكونًا من خمسة حارات للإلكترونات، مما يسمح باستخدام إلكترونيات فائقة الكفاءة والمزيد.

العمل الذي تم نشره مؤخرًا في المجلة علومأحد الاكتشافات العديدة المهمة التي قامت بها نفس المجموعة في العام الماضي يتضمن مادة ذات شكل فريد من الجرافين.

يقول البروفيسور المساعد لونغ تشو من قسم الفيزياء: “هذا الاكتشاف له آثار مباشرة على الأجهزة الإلكترونية منخفضة الطاقة، لأن الطاقة لا تضيع أثناء انتشار الإلكترونات، وهو ما لا يحدث في المواد التقليدية التي تنتشر فيها الإلكترونات”. والمؤلف المقابل علوم ورق.

تشبه هذه الظاهرة السيارات التي تسير على طريق سريع مفتوح مقارنة بالسيارات التي تسير عبر الأحياء. قد يقوم سائقون آخرون بإيقاف السيارات القريبة أو إبطاء سرعتها عن طريق التوقف المفاجئ أو الدوران على شكل حرف U، مما يعطل السفر السلس.

مادة جديدة: الجرافين المعيني السطوح

تم اكتشاف المادة الكامنة وراء هذا العمل، والتي تسمى الجرافين الخماسي السطوح، قبل عامين من قبل فيزيائيين بقيادة تشو. يقول تشو، المنتسب إلى مختبر أبحاث المواد التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: «لقد اكتشفنا منجمًا للذهب، وكل سبق صحفي يكشف شيئًا جديدًا».

أ تكنولوجيا النانو الطبيعة في أكتوبر الماضي، أعلن تشو وزملاؤه عن اكتشاف ثلاث خصائص مهمة ناشئة عن الجرافين المعيني السطوح. على سبيل المثال، أظهروا أنها يمكن أن تكون طوبولوجية، أو تسمح بحرية حركة الإلكترونات حول حافة المادة، ولكن ليس في المنتصف. وأدى ذلك إلى إنشاء طريق سريع للغاية، ولكنه تطلب استخدام مجال مغناطيسي هائل أقوى بعشرات الآلاف من المرات من المجال المغناطيسي للأرض.

ستة من علماء الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الذين أنشأوا الطريق السريع المكون من خمسة حارات للإلكترونات هم (من اليسار إلى اليمين) طلاب الدراسات العليا Zixiang Yang وJunseok Seo وDonggang Han؛ الطالب الجامعي الزائر يوشوان ياو؛ أستاذ مساعد لونغ تشو؛ وما بعد الدكتوراه Zhengguang Lu. الائتمان: شنيونغ يي

تعزيز قنوات الإلكترون الجرافين

في العمل الحالي، أفاد الفريق ببناء طريق سريع بدون أي مجال مغناطيسي.

دونجكونج هان، وهو طالب دراسات عليا في الفيزياء بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، هو المؤلف الأول المشارك لهذه الورقة. “نحن لسنا أول من اكتشف هذه الظاهرة العامة، لكننا فعلنا ذلك في نظام مختلف تمامًا. بالمقارنة مع الأنظمة السابقة، فإن نظامنا أبسط ويدعم المزيد من القنوات الإلكترونية. ويوضح تشو، “يمكن للمواد الأخرى أن تدعم النقل في اتجاه واحد فقط عند حافة المادة. لقد رفعناها فجأة إلى خمسة.

المؤلفون الأوائل المشاركون في الورقة الذين ساهموا بالتساوي في العمل هم Zhengguang Lu وYuxuan Yao. مرحلة ما بعد الدكتوراه في مختبر أبحاث المواد. أجرى ياو العمل كطالب جامعي زائر في جامعة تسينغهوا. المؤلفون الآخرون هم أستاذ الفيزياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ليانغ فو؛ Zixiang Yang وJunseok Seo، وكلاهما من طلاب الدراسات العليا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في الفيزياء؛ تشيهو يون وفان تشانغ من جامعة تكساس في دالاس؛ وكينجي واتانابي وتاكاشي تانيجوتشي من المعهد الوطني لعلوم المواد في اليابان.

كيف تعمل

يتكون الجرافيت، وهو المكون الأساسي لقلم الرصاص، من عدة طبقات من الجرافين، وهي طبقة من ذرات الكربون مرتبة في أشكال سداسية مثل هيكل قرص العسل. يتكون الجرافين المعيني السطوح من خمس طبقات من الجرافين مكدسة بترتيب متداخل محدد.

شكرًا لتشو وزملائه على عزل الجرافين المعيني السطوح مجهر رواية تم بناؤه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في يونيو 2021، ويمكنه تحديد مجموعة متنوعة من الخصائص الرئيسية للمادة بسرعة وبتكلفة زهيدة نسبيًا. مقياس النانو. يبلغ سمك الجرافين المكدس ذو الطبقة الخماسية السطوح بضعة أجزاء من المليار من المتر فقط.

وفي العمل الحالي، قام الفريق بتعديل الهيكل الأصلي وإضافة طبقة من ثاني كبريتيد التنغستن (WS).₂) “الارتباط بين WS₂ ويقول تشو: “إن هذا الطريق السريع ذو الخمس اتجاهات من الجرافين المعيني السطوح الخماسي ينتج عنه مجال مغناطيسي صفر”.

مقارنة مع الموصلية الفائقة

إن الظاهرة التي اكتشفها فريق تشو في الجرافين المعيني السطوح، والتي تسمح للإلكترونات بالسفر دون مقاومة في مجال مغناطيسي صفر، تسمى تأثير هول الشاذ الكمي. معظم الناس على دراية بالموصلية الفائقة، وهي ظاهرة مختلفة تمامًا تؤدي نفس الشيء ولكنها تحدث في مواد مختلفة تمامًا.

ويشير تشو إلى أنه على الرغم من اختراع الموصلات الفائقة في العقد الأول من القرن العشرين، إلا أن الأمر استغرق 100 عام من البحث لربط النظام بدرجات الحرارة المرتفعة اللازمة للتطبيقات. ويشير إلى أن “الرقم القياسي العالمي لا يزال أقل من درجة حرارة الغرفة”.

وبالمثل، يعمل الطريق السريع للجرافين المعيني السطوح حاليًا عند درجة حرارة تبلغ حوالي 2 كلفن، أو -456 درجة. فهرنهايت. “إن رفع درجة الحرارة سيتطلب الكثير من الجهد، ولكن كفيزيائيين، مهمتنا هي تقديم نظرة ثاقبة؛ وهذه طريقة أخرى لتحقيق ذلك. [phenomenon]يقول تشو.

التداعيات والآفاق المستقبلية

جاءت الاكتشافات المتعلقة بالجرافين المعيني السطوح نتيجة لأبحاث مضنية لم تكن مضمونة النجاح. يقول هان: “لقد جربنا العديد من الوصفات على مدار عدة أشهر، لذلك كان من المثير للغاية أن نتمكن من تبريد النظام إلى درجة الحرارة المنخفضة هذه. [a five-lane superhighway operating at zero magnetic field] لقد خرج للتو.”

يقول تشو: “من المثير للغاية أن نكون أول من يكتشف ظاهرة في بيئة جديدة، خاصة في مادة تعرضنا لها”.

المرجع: Donghong Han، Zhengguang Lu، Yuxuan Yao، Zixiang Yang، Junzok Xiao، Chiho Yun، Kenji Watanabe، Takashi Taniguchi، El Zhang، Liang، Liang، Liang، Liang، Liang، Liang، Liang، Liang، Liang، Liang، Liang. , ليانج، ليانج، ليانج، ليانج 9 مايو 2024،. علوم.
دوى: 10.1126/science.adk9749

تم دعم هذا العمل من قبل زمالة سلون؛ مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية؛ مكتب وكيل وزارة الدفاع الأمريكي للأبحاث والهندسة؛ الجمعية اليابانية لتعزيز العلوم كاكينهي؛ ومبادرة الأبحاث الدولية الرائدة عالميًا في اليابان.