يمكن أن يؤدي فهم كيفية تحرك الإلكترونات في أنظمة المواد ثنائية الأبعاد إلى حدوث تقدم في الاحصاء الكمية والتواصل.
يدرس العلماء تكوينين مختلفين للطبقة الثنائية الجرافين- ثنائي الأبعاد (2-D) ، ذرة- شكل رقيق من الكربون - اكتشف صدى بين الطبقات الإلكترونية والبصرية. في حالات الطنين هذه ، ترتد الإلكترونات ذهابًا وإيابًا بين المستويين الذريين في السطح البيني ثنائي الأبعاد على نفس التردد. من خلال توصيف هذه الحالات ، وجدوا أن التواء إحدى طبقات الجرافين بمقدار 2 درجة بالنسبة للطبقة الأخرى ، بدلاً من تكديس الطبقات مباشرة فوق بعضها البعض ، ينقل الرنين إلى طاقة أقل.
من هذه النتيجة ، المنشورة للتو في استعراض للحروف البدنية، استنتجوا أن المسافة بين الطبقتين زادت بشكل ملحوظ في التكوين الملتوي ، مقارنة بالطبقة المكدسة. عندما تتغير هذه المسافة ، تتغير كذلك تفاعلات الطبقة البينية ، مما يؤثر على كيفية تحرك الإلكترونات في نظام الطبقة الثنائية. يمكن أن يساعد فهم حركة الإلكترون هذه في تصميم تقنيات الكم المستقبلية للحصول على حوسبة أكثر قوة واتصالات أكثر أمانًا.
العالم يورك سادوفسكي (يسار) وباحث ما بعد الدكتوراة Zhongwei Dai في منشأة مطبعة المواد الكمومية (QPress) في مركز المواد النانوية الوظيفية (CFN) في مختبر Brookhaven الوطني. القطعة الدائرية الكبيرة هي روبوت QPress المركزي ، مع وحدات مختلفة متصلة على الجوانب لتلدين العينة ، فيلم الترسيب وتنظيف البلازما وعينات المكتبات. سيقوم نظام QPress الكامل ، الذي لا يزال قيد التطوير ، بأتمتة تكديس المواد ثنائية الأبعاد في هياكل ذات طبقات ذات خصائص غريبة للتطبيقات الكمومية. الائتمان: مختبر Brookhaven الوطني
قال المؤلف الأول والشريك المشارك Zhongwei Dai ، وهو باحث ما بعد الدكتوراة في Interface Science and Catalysis Group في مركز المواد النانوية الوظيفية (CFN) في مختبر Brookhaven الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (DOE). "لكن الخصائص الفيزيائية للسيليكون تصل إلى حد مادي فيما يتعلق بكيفية صنع الترانزستورات الصغيرة وعددها الذي يمكن تركيبه على رقاقة. إذا استطعنا أن نفهم كيف تتحرك الإلكترونات على نطاق صغير من القليل نانومتر في الأبعاد المصغرة للمواد ثنائية الأبعاد ، قد نتمكن من فتح طريقة أخرى لاستخدام الإلكترونات في علم المعلومات الكمومية. "
في بضعة نانومترات ، أو أجزاء من المليار من المتر ، يكون حجم نظام المادة مشابهًا لطول موجة الإلكترونات. عندما تكون الإلكترونات محصورة في فضاء بأبعاد طولها الموجي ، تتغير الخصائص الإلكترونية والبصرية للمادة. إن تأثيرات الحبس الكمومي هذه ناتجة عن حركة تشبه الموجة الميكانيكية الكمومية بدلاً من الحركة الميكانيكية التقليدية ، حيث تتحرك الإلكترونات عبر مادة ما وتشتت بفعل عيوب عشوائية.
(في اتجاه عقارب الساعة من اليسار إلى اليمين) أعضاء الفريق تشانغ يونغ نام وجوريك سادوسكي وتشونغوي داي وصمويل تيني ونيخيل تويل وأشوانث سوبرامانيان خارج مركز المواد النانوية الوظيفية. الائتمان: مختبر Brookhaven الوطني
من أجل هذا البحث ، اختار الفريق نموذجًا بسيطًا للمادة - الجرافين - للتحقيق في تأثيرات الحبس الكمومي ، باستخدام مجسين مختلفين: الإلكترونات والفوتونات (جسيمات الضوء). لاستكشاف كل من الرنين الإلكتروني والضوئي ، استخدموا ركيزة خاصة يمكن نقل الجرافين عليها. قام المؤلف المشارك وعالم مجموعة CFN Interface Science and Catalysis Jurek Sadowski سابقًا بتصميم هذه الركيزة لمطبعة المواد الكمومية (QPress). QPress هي أداة آلية قيد التطوير في مرفق توليف وتوصيف المواد CFN لتركيب ومعالجة وتوصيف المواد ثنائية الأبعاد ذات الطبقات. تقليديًا ، يقشر العلماء "رقائق" مادة ثنائية الأبعاد من بلورات أصل ثلاثية الأبعاد (على سبيل المثال ، الجرافين من الجرافيت) على ركيزة من ثاني أكسيد السيليكون بسمك عدة مئات من النانومتر. ومع ذلك ، فإن هذه الركيزة عازلة ، وبالتالي فإن تقنيات الاستجواب القائمة على الإلكترون لا تعمل. لذلك ، قام سادوسكي وعالم CFN Chang-Yong Nam وطالب الدراسات العليا بجامعة Stony Brook Ashwanth Subramanian بترسيب طبقة موصلة من أكسيد التيتانيوم بسماكة ثلاثة نانومتر فقط على ركيزة ثاني أكسيد السيليكون.
أوضح سادوسكي أن "هذه الطبقة شفافة بما يكفي للتوصيف البصري وتحديد سمك الرقائق المقشرة والطبقات الأحادية المكدسة بينما تكون موصلة بدرجة كافية للفحص المجهري الإلكتروني أو تقنيات التحليل الطيفي القائمة على السنكروترون".
في مجموعة تشارلي جونسون في جامعة بنسلفانيا — ريبيكا دبليو بوشنيل أستاذة الفيزياء وعلم الفلك تشارلي جونسون ، وباحث ما بعد الدكتوراة كيشينج زانج ، وباحث ما بعد الدكتوراة السابق زاولي جاو (الآن أستاذ مساعد في جامعة هونج كونج الصينية) - طور الجرافين في رقائق معدنية ونقلها على ركيزة أكسيد التيتانيوم / ثاني أكسيد السيليكون. عندما ينمو الجرافين بهذه الطريقة ، فإن المجالات الثلاثة (طبقة واحدة ، مكدسة ، ملتوية) موجودة.
(أ) مخططات الإعداد التجريبي لتشتت الإلكترون والفوتون. (ب) نموذج ذري للنمط المتكون من هيكل بلوري ثنائي الطبقات من الجرافين (30 درجة -tBLG). (ج) صورة مجهر إلكتروني منخفض الطاقة لمنطقة عينة نموذجية تحتوي على 30 درجة -tBLG ، وغرافين ثنائي الطبقة مكدس (AB-BLG) ، وجرافين أحادي الطبقة (SLG). (د) نمط حيود الإلكترون منخفض الطاقة على مساحة 30 درجة -tBLG. الائتمان: مختبر Brookhaven الوطني
بعد ذلك ، صمم Dai و Sadowski ونفذا تجارب أطلقوا فيها إلكترونات على المادة باستخدام مجهر إلكتروني منخفض الطاقة (LEEM) واكتشفوا الإلكترونات المنعكسة. قاموا أيضًا بإطلاق فوتونات من مجهر ضوئي قائم على الليزر مع مطياف إلى المادة وقاموا بتحليل طيف الضوء المنتشر في الخلف. يعد مجهر رامان متحد البؤر جزءًا من مفهرس QPress ، والذي يمكنه ، جنبًا إلى جنب مع برنامج تحليل الصور ، تحديد مواقع مناطق العينة ذات الأهمية.
قال داي: "مكّننا مجهر QPress Raman من تحديد منطقة العينة المستهدفة بسرعة ، وتسريع بحثنا".
تشير نتائجهم إلى أن التباعد بين الطبقات في تكوين الجرافين الملتوي زاد بنحو ستة بالمائة مقارنة بالتكوين غير الملتوي. أثبتت حسابات المنظرون في جامعة نيو هامبشاير السلوك الإلكتروني الرنان الفريد في التكوين الملتوي.
قال سادوفسكي: "قد يكون للأجهزة المصنوعة من الجرافين المستدير خصائص مثيرة جدًا وغير متوقعة بسبب زيادة التباعد بين الطبقات التي يمكن للإلكترونات أن تتحرك فيها".
بعد ذلك ، سيقوم الفريق بتصنيع الأجهزة باستخدام الجرافين الملتوي. سيعتمد الفريق أيضًا على التجارب الأولية التي أجراها عالم فريق CFN صمويل تيني و CFN بعد الدكتوراة كالي إيدز ونيخيل تيوال لاستكشاف كيفية تأثير إضافة مواد مختلفة إلى الهيكل متعدد الطبقات على خصائصه الإلكترونية والبصرية.
قال داي: "في هذا البحث الأولي ، اخترنا أبسط نظام مادة ثنائي الأبعاد يمكننا تصنيعه والتحكم فيه لفهم كيفية تصرف الإلكترونات". "نخطط لمواصلة هذه الأنواع من الدراسات الأساسية ، ونأمل أن نلقي الضوء على كيفية التعامل مع المواد من أجل الحوسبة الكمية والاتصالات."
تم دعم هذا البحث من قبل مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة واستخدم موارد من CFN و National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) ، وكلاهما من مرافق المستخدم التابعة لمكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة في Brookhaven. مجهر LEEM هو جزء من الفحص المجهري الإلكتروني للانبعاث الضوئي للأشعة السينية (XPEEM) / محطة نهاية LEEM لخط الإشعاع الإلكتروني الطيفي المجهري في NSLS-II ؛ تقوم CFN بتشغيل محطة النهاية هذه من خلال اتفاقية مستخدم شريك مع NSLS-II. وكالات التمويل الأخرى هي مؤسسة العلوم الوطنية ، ومجلس المنح البحثية لمنطقة هونغ كونغ الإدارية الخاصة ، والجامعة الصينية في هونغ كونغ.
لمزيد من المعلومات حول هذا البحث ، اقرأ الجرافين النحيف والذري الملتوي له خصائص فريدة يمكن أن تقدم الحوسبة الكمومية.
المرجع: "الدول المقيدة جيدًا في واجهات الجرافين غير المتجانسة" بقلم Zhongwei Dai و Zhaoli Gao و Sergey S. Pershoguba و Nikhil Tiwale و Ashwanth Subramanian و Qicheng Zhang و Calley Eads و Samuel A. Tenney و Richard M. Osgood و Chang-Yong نام ، جيادونغ زانغ ، AT تشارلي جونسون وجيرزي ت.سادوسكي ، 20 أغسطس 2021 ، استعراض للحروف البدنية.
دوى: 10.1103 / PhysRevLett.127.086805
