طور باحثون من التخنيون مصدرًا ذكيًا للضوء يعتمد على طبقة ذرية واحدة من المادة. وسيمكن هذا الإنجاز من تطوير تطبيقات كمومية جديدة في مجال الحوسبة وفي مجالات أخرى
طور باحثو التخنيون مصدرًا جديدًا للضوء يعتمد على طبقة ذرية واحدة. التطور المبتكر، المنشور في المجلة طبيعة التكنولوجيا النانوية، يسمح بالتحكم فييلف الفوتونات المنبعثة في مادة ثنائية الأبعاد وتمهد الطريق لأجهزة ضوئية جديدة تعتمد على "البصريات المغزلية على المقياس الذري". يعتمد هذا الاكتشاف على تفاعل طبقة ذرية واحدة مع مصفوفات الهوائي النانوي على شريحة سيليكون أثناء خلق عيوب في البلورات الضوئية.
أجريت الدراسة على مجموعة بحث مكونة من البروفيسور إيرز حسمان، رئيس مختبر الضوئيات الذرية، مع البروفيسور إيلاد كورين، رئيس مختبر المواد النانوية الإلكترونية ومكونات النانو في كلية علوم وهندسة المواد. تنتمي المجموعتان البحثيتان إلى مركز هيلين ديلر الكمي ومعهد راسل بيري لتقنية النانو. تم إجراء البحث وإدارته من قبل الدكتور كيكسيو رونغ والدكتور بو وانغ بالتعاون مع الباحثين الدكتور الحنان ماجد، والدكتور فلاديمير كلاينر، وآفي روفين، وبار كوهين، وشاؤول كاتسنلسون.
ما هي المواد ثنائية الأبعاد؟ وفقًا للبروفيسور كورن، "في عام 2004، تم فحص إمكانية إنشاء طبقة ذرية واحدة لأول مرة عندما قام الفيزيائيان أندريه جيم وكونستانتين نوفوسلوف، الحائزان لاحقًا على جائزة نوبل في الفيزياء (2010)، بتطوير طريقة بسيطة لإنشاء طبقات ذرية واحدة من ذرات الكربون. يعلق الاثنان ورقة لاصقة على قطعة من الجرافيت ويقشران المادة طبقة بعد طبقة حتى الحصول على طبقة واحدة من الذرات تعرف بالجرافين. وأظهروا أن الطبقة الذرية للمادة تختلف كثيرًا في خصائصها عن خصائص المادة في شكلها ثلاثي الأبعاد. إنها مادة أقوى بمئة مرة من الفولاذ ولها خصائص كهربائية غير عادية، ووفقا للتقديرات، من المتوقع أن تحدث ثورة في الموصلات وأشباه الموصلات، وشاشات العرض والخلايا الشمسية وغيرها. وبعد هذا الاكتشاف، تم تطوير الطبقات الذرية من مواد أخرى، وأظهرت أيضًا خصائص مدهشة وفريدة من نوعها.
يتابع البروفيسور هاسمان ويوضح: "بعد اكتشاف الجرافين، تم اكتشاف ودراسة العديد من المواد ثنائية الأبعاد، مثل أشباه الموصلات المختلفة، والتي تتيح أيضًا الحصول على خصائص بصرية مثيرة للاهتمام. تعتمد الرقائق الإلكترونية القياسية على السيليكون، مما يحد بشكل كبير من تطوير الجيل القادم من أجهزة الكمبيوتر التي تتطلب مزيجًا من الإلكترونيات والضوئيات، ويرجع ذلك جزئيًا إلى عدم وجود شرط أساسي يسمى "فجوة الطاقة المباشرة" في السيليكون. ولدهشتنا، تم اكتشاف نفس فجوة الطاقة المباشرة في أشباه الموصلات ثنائية الأبعاد، مما يجعل من الممكن الجمع بين الضوئيات والإلكترونيات على مقياس النانومتر، لإنتاج مصادر الضوء والأجهزة الضوئية النشطة، وتمهيد الطريق للأجيال القادمة. من الرقائق."
لتقليل الشريحة الإلكترونية وزيادة سرعة المعالجة ومعدل نقل المعلومات بشكل كبير، فإن النهج المقبول اليوم هو الإلكترونيات السبينية - إجراء العمليات على الدوران، وهو أحد الخصائص المهمة للإلكترون، وليس على تدفق الإلكترون. قبل بضع سنوات، أسس البروفيسور إيرز هاشمان من التخنيون مجالًا جديدًا يسمى سبينوبتيكش، مما يجعل من الممكن الاستفادة من دوران الفوتونات عبر الأسطح الخارقة لصالح نقل ومعالجة المعلومات في الرقائق الضوئية. يعتمد نقل المعلومات على التحكم في الدوران الضوئي بمساعدة الضوئيات النانوية - البصريات على مقياس النانومتر.
تتميز المواد شبه الموصلة ثنائية الأبعاد بمستويات طاقة يعتمد انبعاثها على الدوران (أودية الدوران)، وذلك نتيجة لكسر تناظر المرآة. قرر الباحثون في التخنيون الاستفادة من هذه الميزة وربط طبقة ذرية واحدة من سيلينيد التنغستن (WSe)2 بالنسبة للفوتونيات النانوية - هوائيات نانوية تمكن من كسر التماثل في الدوران الضوئي والحصول على شريحة على المقياس الذري التي تمكن مصدر الضوء والأجهزة الضوئية أثناء التحكم في المعلومات ومعالجتها في الدوران الضوئي.
ابتكر الباحثون بنية بلورية ثنائية الأبعاد من السيليكون تخلق فجوة طاقة في مجال انبعاث المادة ثنائية الأبعاد بحيث يؤدي اقتران شبه الموصل الذري بالبلورة الضوئية إلى حجب جميع قنوات الانبعاث الضوئية من المادة ثنائية الأبعاد. من خلال إنشاء عيوب ذكية داخل البلورة الضوئية، والتحكم في مرحلة العيوب باستخدام هندستها وربطها، أنشأ الباحثون مصدرًا للضوء من طبقة ذرية واحدة تفصل وتفرز دوران الفوتونات المنبعثة من شبه الموصل ثنائي الأبعاد. هذا الاكتشاف العلمي سيجعل من الممكن الجمع بين الإلكترونيات السبينية وعلم الدوران البصري لتطوير مجموعة واسعة من الأجهزة على المستوى الذري.
يشير البروفيسور هاشمان بفخر إلى أن "هذا المنشور المرموق يوضح أهمية الأبحاث متعددة التخصصات التي تجمع بين الفيزياء والكيمياء وعلوم المواد والهندسة".
تم دعم البحث من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم (ISF)، ووزارة العلوم والتكنولوجيا، والتخنيون، ومكتب أبحاث القوات الجوية الأمريكية. تم تصنيع المكونات في مركز سارة وموشيه زيسافيل للإلكترونيات النانوية (MNFU) في التخنيون.
مواقع المختبر: https://hasman.technion.ac.il/ https://koren.net.technion.ac.il/
للمقال في طبيعة التكنولوجيا النانوية انقر هنا
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
تعليقات 2
لا أفهم حقًا، لكن تهانينا على الإنجاز!
متى سنتحطم أخيرًا عبارة "الجرافين مادة قادرة على فعل الكثير بخلاف مغادرة حدود المختبر"؟