يمكن أن تساعد التأثيرات الكمية في جعل الجرافين ثنائي الطبقة الملتوي موصلًا فائقًا

تلعب الهندسة الكمومية دورًا رئيسيًا في السماح لمادة تعرف باسم الجرافين ثنائي الطبقة الملتوي (tBLG) بأن تصبح موصلًا فائقًا ، وفقًا لتجارب جديدة قام بها علماء الفيزياء في جامعة ولاية أوهايو, جامعة تكساس في دالاس، و المعهد الوطني لعلوم المواد في اليابان. تشير النتائج إلى أن معادلات Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) المستخدمة على نطاق واسع للموصلات الفائقة تحتاج إلى تعديل لمواد مثل tBLG التي لها شحنات بطيئة الحركة. قد يساعد أيضًا في توفير مبادئ إرشادية جديدة في البحث عن موصلات فائقة جديدة تعمل في درجات حرارة أعلى ، كما يقول الباحثون.

الجرافين عبارة عن بلورة ثنائية الأبعاد من ذرات الكربون مرتبة في نمط قرص العسل. تتميز هذه "المادة العجيبة" بالعديد من الخصائص الاستثنائية ، بما في ذلك الموصلية الكهربائية العالية حيث تقوم حاملات الشحن (الإلكترونات والثقوب) بالتكبير عبر شبكة الكربون بسرعات عالية جدًا.

في عام 2018 ، قاد الباحثون بابلو جاريلو هيريرو وجد من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أنه عندما يتم وضع صفحتين من هذا القبيل فوق بعضهما البعض مع اختلال زاوية صغيرة ، فإنهما يشكلان بنية تُعرف باسم شبكة التموج في النسيج الفائقة. وعندما تصل زاوية الالتواء بينهما (المتوقعة نظريًا) "الزاوية السحرية" البالغة 1.08 درجة ، يبدأ تكوين الطبقة الثنائية "الملتوية" بإظهار خصائص مثل الموصلية الفائقة تحت درجة حرارة حرجة معينة ، T_c- أي أنها توصل الكهرباء دون أي مقاومة.

عند هذه الزاوية ، تتغير الطريقة التي تتحرك بها الإلكترونات في الصفيحتين المقترنتين لأنها مجبرة الآن على تنظيم نفسها بنفس الطاقة. يؤدي هذا إلى نطاقات إلكترونية "مسطحة" ، حيث تمتلك حالات الإلكترون نفس الطاقة تمامًا على الرغم من وجود عزم دوران مختلف. هذا الهيكل ذو النطاق المسطح يجعل الإلكترونات عديمة التشتت - أي أن طاقتها الحركية تصبح مكبوتة تمامًا ولا يمكنها التحرك في شبكة تموج في النسيج. والنتيجة هي أن الجسيمات تتباطأ تقريبًا إلى أن تتوقف وتصبح موضعية في مواقع محددة على طول الصفائح المزدوجة.

مفارقة التوصيل

في العمل الجديد الباحثون بقيادة مارك بوكراث و جيني لاو، أن الإلكترونات في tBLG تتحرك بسرعة بطيئة حوالي 700-1200 م / ث. قد يبدو هذا سريعًا بالمصطلحات التقليدية ، ولكنه في الواقع عامل أبطأ 1000 من سرعة الإلكترونات في الجرافين أحادي الطبقة.

يوضح لاو قائلاً: "تشكل هذه السرعة سرعة جوهرية للإلكترونات في tBLG ، وبالتالي فهي أيضًا حدًا لمقدار التيار الذي يمكن للمادة أن تحمله ، سواء كانت فائقة التوصيل أو معدنية". "تؤدي هذه السرعة البطيئة إلى ظهور مفارقة: كيف توصل tBLG الكهرباء ، ناهيك عن التوصيل الفائق ، إذا كانت الإلكترونات تتحرك ببطء شديد؟"

تقول: "الجواب هو الهندسة الكمومية".

تشير الهندسة العادية إلى كيفية ارتباط النقاط أو الكائنات مكانيًا - على سبيل المثال ، مدى تباعدهم وكيفية ارتباطهم. الهندسة الكمومية متشابهة ، لكنها تصف الطبيعة الكمومية للإلكترونات ، والتي ليست فقط جسيمات ولكن أيضًا موجات ، وبالتالي لها وظائف موجية ، وكيف ترتبط هذه الدوال الموجية وتتشابك. يقول بوكراث: "تبين أن هذه المساهمة ضرورية لتمكين الموصلية الفائقة" عالم الفيزياء. "بدلاً من الإلكترونات سريعة الحركة ، تعتبر الاتصالات الغنية لوظائف الموجات الإلكترونية مهمة."

معظم الموصلات الفائقة حتى الآن موصوفة من قبل نظرية BCS (سميت على اسم مكتشفيها ، باردين ، كوبر وشريففر). تشرح هذه النظرية سبب التوصيل الفائق لمعظم العناصر المعدنية أسفلها T_c: تتزاوج إلكتروناتها الفرميونية لتكوين بوزونات تسمى أزواج كوبر. تشكل هذه البوزونات مكثفًا متماسكًا في الطور يمكن أن يتدفق عبر المادة كتيار فائق لا يتعرض للتشتت ، وتكون الموصلية الفائقة نتيجة لذلك.

تعمل النبضات الكهربائية القصيرة على تشغيل وإيقاف الموصلية الفائقة في الجرافين ذي الزاوية السحرية

ومع ذلك ، فإن النظرية تقصر عندما يتعلق الأمر بشرح الآليات الكامنة وراء الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية. في الواقع ، تعتبر الآلية الكامنة وراء الموصلية الفائقة في درجات الحرارة العالية واحدة من المشكلات الأساسية التي لم يتم حلها في الفيزياء.

يقول لاو: "تُظهر نتائجنا أن معادلات BCS تحتاج أيضًا إلى تعديل من أجل الموصلات الفائقة مثل tBLG بشحنات بطيئة الحركة للغاية". ويضيف بوكراث: "قد يوفر عملنا أيضًا مبادئ إرشادية جديدة في البحث عن موصلات فائقة جديدة يمكنها العمل في درجات حرارة أعلى من تلك المعروفة".

سيواصل الفريق الآن التحقيق في tBLG لتحديد وفهم دور الهندسة الكمية بالتعاون مع المنظرين.

تم تفصيل البحث في الطبيعة.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• بلاتوبلوكشين. Web3 Metaverse Intelligence. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/quantum-effects-could-help-make-twisted-bilayer-graphene-a-superconductor/