کشف شگفت‌انگیز محققان: گرافنِ خودتنظیم، انقلابی در فناوری کوانتومی!

گرافن: ماده‌ای شگفت‌انگیز با ویژگی‌های بی‌نظیر

گرافن، اون ورقه‌ی تک‌اتمی کربنی که اتم‌هاش مثل کندوی زنبور عسل، توی یه شبکه‌ی دوبُعدی چیده شدن، یه سری خصوصیات خارق‌العاده داره: مقاومت فوق‌العاده (تقریباً دویست برابر قوی‌تر از فولاد!)، سبکی، انعطاف‌پذیری و هدایت عالی برق و گرما. این ویژگی‌ها باعث شدن گرافن توی زمینه‌های مختلفی اهمیت پیدا کنه، از جمله الکترونیک، ذخیره‌سازی انرژی، فناوری‌های پزشکی و اخیراً، محاسبات کوانتومی.

ویژگی‌های کوانتومی گرافن و اهمیت اون‌ها

ویژگی‌های کوانتومی گرافن، مثل ابررسانایی و رفتارهای کوانتومی خاص دیگه، وقتی به وجود میان که لایه‌های اتمی گرافن با دقت روی هم قرار بگیرن و پیچیده بشن تا «دامنه‌های چیدمان ABC» رو ایجاد کنن. قبلاً، رسیدن به این چیدمان‌ها مستلزم این بود که لایه‌های گرافن رو از هم جدا کنن و بعد با دست بچرخونن و دقیقاً هم‌تراز کنن، که این فرایند، یه چالش خیلی سخت و پیچیده برای استفاده‌ی صنعتی محسوب می‌شد.

تحقیقات جدید و نویدبخش درباره‌ی گرافن

حالا، پژوهشگرها در دانشکده‌ی مهندسی NYU Tandon، به سرپرستی الیزا ریدو، استاد شیمی و مهندسی بیومولکولی، یه کشف جدید توی مطالعات گرافن داشتن. اونا دیدن که دامنه‌های چیدمان ABA و ABC، به‌طور خودبه‌خودی و در نتیجه‌ی رشد، شکل می‌گیرن. این کشف می‌تونه شروعی باشه برای توسعه‌ی فناوری‌های پیشرفته‌ی کوانتومی.

نتایج این تحقیق، که توی یه مقاله‌ی اخیر در Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) منتشر شده، نشون می‌ده چطور چیدمان‌های خاص توی سیستم‌های گرافن اپی‌تاکسیال سه‌لایه، به‌طور طبیعی به وجود میان. این اتفاق، نیازی به روش‌های سخت و غیراقتصادی که قبلاً برای ساخت گرافن‌های پیچیده استفاده می‌شد رو از بین می‌بره.

تحقیقات جدید: خودسازمان‌دهی دامنه‌های ABA و ABC در گرافن

این محقق‌ها، از جمله مارتین ریهون (که قبلاً پژوهشگر پسادکتری در دانشگاه نیویورک بوده)، الان خودساماندهی دامنه‌های ABA و ABC رو توی یه سیستم گرافن اپی‌تاکسیال سه‌لایه، که روی کاربید سیلیسیم (SiC) رشد داده شده، دیدن. تیم تحقیقاتی با استفاده از میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) پیشرفته، متوجه شد که این دامنه‌ها بدون نیاز به چرخوندن یا هم‌ترازی دستی، به‌طور طبیعی شکل می‌گیرن.

این خودسازمان‌دهی، یه قدم مهم توی ساخت دامنه‌های انباشته‌ی گرافنه. اندازه و شکل این دامنه‌ها تحت تأثیر تعامل بین تنش و هندسه‌ی نواحی سه‌لایه‌ی گرافن قرار داره. بعضی از دامنه‌ها به‌صورت ساختارهای نواری شکل می‌گیرن که عرضشون چند ده نانومتر و طولشون به میکرون می‌رسه، و این موضوع امکانات زیادی رو برای آینده پیش‌بینی می‌کنه.

خانم ریدو می‌گه: «در آینده، ما می‌تونیم اندازه و محل قرارگیری این الگوهای انباشته رو از طریق طراحی قبل از رشد روی زیرلایه‌ی SiC کنترل کنیم». این دامنه‌های انباشت ABA/ABC که خودبه‌خود شکل می‌گیرن، می‌تونن به کاربردهای انقلابی در دستگاه‌های کوانتومی منجر بشن. مثلاً، پیکربندی‌های نواری شکلشون برای ایجاد اثرات هال کوانتومی غیرمعمول، ابررسانایی و امواج چگالی بار خیلی مناسبه.

این پیشرفت‌ها، مسیر رو برای وسایل الکترونیکی‌ای که مقیاس‌پذیر هستن و از خواص کوانتومی گرافن استفاده می‌کنن، هموار می‌کنه. این کشف، یه جهش بزرگ توی مطالعات گرافنه و دانشمندان رو به تحقق پتانسیل کامل این ماده‌ی شگفت‌انگیز در الکترونیک نسل‌های آینده و فناوری‌های کوانتومی نزدیک‌تر می‌کنه.

بودجه‌ی این تحقیق توسط دفتر تحقیقات ارتش آمریکا تحت جایزه‌ی شماره‌ی W911NF2020116 تأمین شده. توی این تحقیق، محققانی از دانشگاه چارلز در پراگ هم همکاری داشتن.