کشف حوزه‌های نوین گرافن: انقلابی در کاربردهای کوانتومی!

گرافن و ویژگی‌های منحصر به فرد آن

گرافن، که یک لایه‌ی واحد از اتم‌های کربن است که در یک شبکه‌ی دو بعدی شبیه به لانه زنبور چیده شده، به خاطر ویژگی‌های استثنایی‌اش شناخته می‌شود: قدرت فوق‌العاده (حدود ۲۰۰ برابر قوی‌تر از فولاد)، سبکی، انعطاف‌پذیری و هدایت عالی برق و حرارت. این ویژگی‌ها موجب شده‌اند که گرافن در کاربردهای مختلفی از جمله الکترونیک، ذخیره‌سازی انرژی، فناوری پزشکی و به تازگی، محاسبات کوانتومی، اهمیت بیشتری پیدا کند.

ویژگی‌های کوانتومی گرافن

ویژگی‌های کوانتومی گرافن، مانند ابررسانایی و رفتارهای کوانتومی منحصر به فرد دیگر، زمانی به وجود می‌آیند که لایه‌های اتمی گرافن با دقت روی هم انباشته و پیچیده شوند تا “دامنه‌های چیدمان ABC” تولید کنند. در گذشته، دستیابی به این دامنه‌های چیدمان ABC نیازمند لایه‌برداری از گرافن و چرخاندن و هم‌راستا کردن دستی لایه‌ها با جهت‌گیری‌های دقیق بود که این فرآیند به عنوان یک چالش بسیار پیچیده و دشوار برای مقیاس‌پذیری در کاربردهای صنعتی به شمار می‌رفت.

پیشرفت‌های جدید در تحقیق گرافن

اکنون، محققان در مدرسه مهندسی NYU Tandon به رهبری الیزا ریدو، استاد شیمی و مهندسی بیومولکولی، یک پدیده جدید در تحقیقات گرافن کشف کرده‌اند. آن‌ها مشاهده کرده‌اند که دامنه‌های چیدمان ABA و ABC به صورت خودسازماندهی شده و ناشی از رشد، به طور طبیعی شکل می‌گیرند. این کشف می‌تواند آغازگر توسعه فناوری‌های پیشرفته کوانتومی باشد.

یافته‌های این تحقیق که در یک مطالعه اخیر در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم (PNAS) منتشر شده، نشان می‌دهد که چگونه چیدمان‌های خاص در سیستم‌های گرافن اپیتاکسی سه‌لایه به طور طبیعی به وجود می‌آیند. این امر نیاز به تکنیک‌های پیچیده و غیرقابل مقیاس‌پذیری که به طور سنتی در ساخت گرافن پیچیده استفاده می‌شد، را از بین می‌برد.

تحقیقات جدید در زمینه خودسازمان‌دهی دامنه‌های ABA و ABC در گرافن

این محققان، از جمله مارتین ریهون که پیش‌تر پژوهشگر پسادکتری در دانشگاه نیویورک (NYU) بوده است، اکنون خودسازمان‌دهی دامنه‌های ABA و ABC را در یک سیستم گرافن اپیتاکسیال سه‌لایه‌ای که بر روی کاربید سیلیکون (SiC) رشد یافته، مشاهده کرده‌اند. با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) پیشرفته، تیم تحقیقاتی دریافت که این دامنه‌ها به‌طور طبیعی و بدون نیاز به چرخش یا هم‌راستایی دستی شکل می‌گیرند.

این سازمان‌دهی خودبه‌خودی نشان‌دهنده یک گام مهم در ساخت دامنه‌های انباشته گرافن است. اندازه و شکل این دامنه‌های انباشته تحت تأثیر تعامل تنش و هندسه نواحی سه‌لایه گرافن قرار دارد. برخی از دامنه‌ها به‌صورت ساختارهای نواری شکل می‌گیرند که عرض آن‌ها ده‌ها نانومتر و طول آن‌ها به میکرون‌ها می‌رسد و پتانسیل قابل توجهی برای کاربردهای آینده ارائه می‌دهند.

ریدو گفت: “در آینده می‌توانیم اندازه و موقعیت این الگوهای انباشته را از طریق الگوگذاری پیش از رشد بر روی زیرلایه SiC کنترل کنیم.” این دامنه‌های انباشته ABA/ABC که به‌صورت خودسازمان‌دهی شده شکل می‌گیرند، می‌توانند به کاربردهای تحول‌آفرین در دستگاه‌های کوانتومی منجر شوند. به‌عنوان مثال، پیکربندی‌های نواری شکل آن‌ها به‌خوبی برای ایجاد اثرات هال کوانتومی غیرمتعارف، ابررسانایی و امواج چگالی بار مناسب هستند.

این پیشرفت‌ها راه را برای دستگاه‌های الکترونیکی مقیاس‌پذیر که از خواص کوانتومی گرافن بهره می‌برند، هموار می‌کند. این کشف یک جهش بزرگ در تحقیقات گرافن محسوب می‌شود و دانشمندان را به تحقق پتانسیل کامل این ماده شگفت‌انگیز در الکترونیک نسل آینده و فناوری‌های کوانتومی نزدیک‌تر می‌کند.

تأمین مالی این تحقیق از سوی دفتر تحقیقات ارتش ایالات متحده تحت جایزه شماره W911NF2020116 انجام شده است. این تحقیق همچنین شامل محققانی از دانشگاه چارلز در پراگ بود.