يتناول البحث مادة ثنائية الأبعاد، عبارة عن طبقة سميكة من ذرة واحدة من ذرات البورون والنيتروجين مرتبة في هيكل سداسي دوري. خلال التجربة، تمكن الباحثون من كسر تماثل هذه البلورة عن طريق تجميع طبقتين من هذه الطبقات بشكل مصطنع
إنجاز علمي: تمكن الباحثون في جامعة تل أبيب من هندسة أصغر تكنولوجيا في العالم، بسمك ذرتين فقط. ووفقا للباحثين، فإن التكنولوجيا الجديدة توفر طريقة لتشفير المعلومات الكهربائية في أنحف وحدة عرفها العلم اليوم، في بلورة تعد واحدة من أقوى الوحدات وأكثرها استقرارا في الطبيعة.
تم إجراء البحث في كلية الفيزياء وعلم الفلك وكلية الكيمياء في كلية ريموند وبيرلي ساكلر للعلوم الدقيقة في جامعة تل أبيب من قبل فريق من الباحثين يضم معيان ويسنر شتيرن، يوفال فاشيتس، د. فاي خاو. د. يفتاح نيبو، بروفسور عيران سيلا، بروفسور ميخائيل أورباخ، بروفسور عوديد هود، ود. موشيه بن شالوم. ونشرت الدراسة في مجلة العلوم المرموقة.
خلفية بحثنا هي الفضول حول سلوك الذرات والإلكترونات في المادة، والذي أدى عبر التاريخ إلى ظهور العديد من التقنيات التي تحيط بحياتنا الحديثة، كما يقول الدكتور بن شالوم. نحن (والعديد من العلماء الآخرين) نحاول فهم الخصائص الرائعة لهذه الجسيمات والتنبؤ بها وحتى التحكم فيها عندما تتصلب في بنية دورية منظمة تسمى البلورة. في قلب الكمبيوتر، على سبيل المثال، يوجد جهاز بلوري صغير غرضه التحكم في نوع ما من الاستجابة التي تحتوي على حالتين على الأقل (التبديل) - "نعم" أو "لا". بدون هذه القدرة الثنائية - لا يمكن تشفير المعلومات ومعالجتها. ويتمثل التحدي العملي في إيجاد آلية تسمح بالتبديل في جهاز صغير وسريع ورخيص.
اعتبارًا من اليوم، أصبحت الأجهزة الأكثر تقدمًا مصنوعة من بلورات صغيرة تحتوي على حوالي مليون ذرة فقط (حوالي مائة ذرة في الطول والعرض والسماكة)، بحيث يمكن وضع مليون مثلها حوالي مليون مرة في مساحة عملة واحدة وتبديل كل جهاز بسرعة حوالي مليون مرة في الثانية.
تصغير كبير لسمك الأجهزة البلورية
والآن، كما ذكرنا، وبعد التقدم التكنولوجي، نجح الباحثون لأول مرة في تقليل سمك الأجهزة البلورية بشكل كبير إلى ذرتين فقط. ويؤكد الدكتور بن شالوم أن الهيكل الجديد يسمح لأجهزة الذاكرة المعتمدة على القدرة الكمومية للإلكترونات بالقفز بكفاءة وسرعة عبر الحواجز التي يبلغ سمكها عدد قليل من الذرات، وبالتالي قد تمكن من تحسين كبير للأجهزة الإلكترونية من حيث الكثافة، السرعة واستهلاك الطاقة.
وفي إطار البحث، تناول الباحثون مادة ثنائية الأبعاد، وهي طبقة بسمك ذرة واحدة من ذرات البورون والنيتروجين مرتبة في هيكل سداسي دوري. خلال التجربة، تمكن الباحثون من كسر تماثل هذه البلورة عن طريق تجميع طبقتين من هذه الطبقات بشكل مصطنع. "في شكلها الطبيعي وثلاثي الأبعاد، يتم بناء هذه المادة من عدد كبير من هذه الطبقات الموضوعة واحدة فوق الأخرى، مع تدوير كل طبقة 180 درجة بالنسبة للطبقة التي تحتها (التكوين المضاد للتوازي)" - بحسب الدكتور بن شالوم. في المختبر، تمكنا من تكديس الطبقات بشكل مصطنع في تكوين متوازي، والذي على ما يبدو يضع الذرات من نفس النوع في تداخل كامل على الرغم من التنافر القوي بينها (نتيجة لشحنتها المتطابقة). عملياً، تفضل البلورة أن تنزلق إحدى الطبقات قليلاً بالنسبة إلى الأخرى بحيث يتداخل نصف ذرات كل طبقة فقط، أما تلك التي تتداخل فهي من أنواع مختلفة (أي بشحنة الإشارة المعاكسة). بينما تقف بقية الذرات فوق (أو أسفل) مساحة فارغة - مركز الشكل السداسي. وعلى الرغم من أن هذه الحالة أقل استقرارًا قليلًا من الترتيب الطبيعي (وتسمى الحالة شبه المستقرة)، إلا أن الترتيب الجديد يميز جيدًا بين الطبقات. على سبيل المثال، إذا كانت الذرات المتداخلة في الطبقة العليا من نوع الثقب فقط، فإن الوضع في الطبقة السفلية يكون معكوسًا.
يضيف الدكتور بن شالوم أن هذا الاكتشاف أصبح ممكنًا بفضل جهد مشترك ومثمر بشكل خاص مع زملائهم النظريين الذين أجروا أشهر من عمليات المحاكاة الحاسوبية لتحليل متعمق لسبب اصطفاف الإلكترونات في النظام تمامًا كما قمنا بالقياس.
ربيع ويسنر ستيرنويوضح طالب الدكتوراه الذي قاد البحث: "إن كسر التماثل الذي تمكنا من خلقه في المختبر، وغير الموجود في البلورة الطبيعية، يجبر الشحنة الكهربائية على إعادة التنظيم بين الطبقات وإنشاء تيار كهربائي صغير". الاستقطاب عمودي على مستوى الطبقات. وظل الاستقطاب المعاكس الناتج مستقرا حتى عندما أوقفنا المجال الخارجي، على غرار الأنظمة "الكهربائية" ثلاثية الأبعاد المستخدمة على نطاق واسع في التكنولوجيا المعاصرة.
"إن إمكانية فرض ترتيب بلوري وإلكتروني في مثل هذا النظام الرقيق، مع خصائص الاستقطاب والانعكاس الفريدة الناتجة عن روابط هوان دير فال الضعيفة بين الطبقات، لا تقتصر فقط على بلورة البورون والنيتروجين" - ويضيف الدكتور بن شالوم. "في الواقع، نتوقع أن تمتد هذه الظاهرة إلى العديد من البلورات ذات الطبقات ذات خصائص التناظر المناسبة واستخدام انزلاق الطبقات البينية كوسيلة أصلية وفعالة لتحقيق الأجهزة الإلكترونية المتقدمة."
يلخص ويزنر ستيرن: "نحن متحمسون لمعرفة ما سيحدث في المواقف الأخرى المفروضة على الطبيعة، ونتوقع أنه سيكون من الممكن إنشاء اقترانات جديدة بين درجات مختلفة من الحرية. نأمل أن يؤدي التصغير والعكس عن طريق الانزلاق إلى تحسين الأجهزة الإلكترونية اليوم، وعلى وجه الخصوص، سيسمح بطرق أصلية أخرى للتحكم في المعلومات في أجهزة الغد. بالإضافة إلى أجهزة الحوسبة، من الممكن توقع المساهمة في أجهزة الكشف عن الطاقة وتخزينها وتحويلها والتفاعل مع الأشعة الضوئية والمزيد. التحدي الذي يواجهنا، كما نراه، هو العثور على بلورات إضافية بدرجات جديدة ومتحركة من الحرية.
تجدر الإشارة إلى أنه تم تمويل البحث بمساعدة مجلس البحوث الأوروبي ERC، ومؤسسة العلوم الإسرائيلية ISF، ووزارة العلوم.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
תגובה אחת
الأبحاث التي تتناول الذاكرة ثنائية الأبعاد هل هي دراسة معمقة أم دراسة سطحية؟