اكتشف الفيزيائيون عائلة من هياكل الجرافين فائقة التوصيل

هذا الاكتشاف لهياكل الجرافين فائقة التوصيل يمكن أن يشجع على تطوير أجهزة عملية فائقة التوصيل

[ترجمة د. موشيه نحماني]

عندما يتعلق الأمر بالجرافين، يبدو أن الموصلية الفائقة تبقى في العائلة.

الجرافين عبارة عن مادة ثنائية الأبعاد يبلغ سمكها ذرة واحدة ويمكن إنتاجها عن طريق عملية كيميائية (تقشير) من نفس المادة الخام الموجودة في أطراف قلم الرصاص - الجرافيت. وتتكون المادة الرقيقة للغاية بالكامل من ذرات الكربون فقط مرتبة في هيكل سداسي بسيط، يشبه قفص الدجاج. منذ عزل هذه المادة الخاصة في عام 2004، اكتشف العلماء أن الجرافين له العديد من الخصائص غير العادية بسبب بنيته أحادية الطبقة.  

يعد الجرافين، وهو طبقة أحادية من ذرات الكربون مرتبة في بنية نانوية شبكية ثنائية الأبعاد على شكل قرص العسل، أحد أشهر المواد ثنائية الأبعاد. عندما تأخذ طبقتين من الجرافين وتحركهما تجاه بعضهما البعض في "الزاوية السحرية" (من ويكيبيديا) تظهر خصائص خاصة بشكل خاص مثل الموصلية الفائقة والمغناطيسية الحديدية.

في عام 2018، اكتشف علماء من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) أنه إذا أخذت طبقتين من الجرافين وقمت بإمالتهما تجاه بعضهما البعض بزاوية محددة للغاية ("الزاوية السحرية")، يمكن لهذه الطبقة المزدوجة أن تظهر موصلية فائقة مستقرة. في مثل هذه الحالة، يمكن للتيار الكهربائي أن يتحرك داخل هذه الطبقة المزدوجة دون فقدان الطاقة. في الآونة الأخيرة، وجد نفس الفريق من الباحثين موصلية فائقة مماثلة في طبقة ثلاثية من الجرافين - وهي بنية تتكون من ثلاث طبقات من الجرافين مكدسة تجاه بعضها البعض بزاوية محددة بشكل خاص.

الآن، أفاد فريق البحث أنهم يعتقدون أنه حتى أربع أو خمس طبقات من الجرافين، إذا تم تحريكها في زوايا محددة، يمكن أن تظهر خاصية الموصلية الفائقة المستقرة في درجات حرارة منخفضة. وهذا الاكتشاف الأخير نُشر في 2022 يوليو XNUMX في المجلة العلمية مواد الطبيعة, يثبت وجود عائلة مواد فائقة التوصيل جديدة تمامًا من الجرافين متعدد الطبقات. يمكن أن يكون هذا الاكتشاف الجديد بمثابة أساس لتطوير الموصلات الفائقة العملية، المستقرة في درجة حرارة الغرفة. إذا كان من الممكن تكرار خصائص هذه العائلة من المواد في مواد موصلة طبيعية، فيمكن تسخيرها، على سبيل المثال، لنقل التيار الكهربائي دون مقاومة أو فقدان للطاقة، على سبيل المثال، لتطوير عربات قطار تحلق مغناطيسيًا دون أي احتكاك.

وقال الباحث الرئيسي: "إن وجود هذه العائلة مهم لأنه يوفر وسيلة لتطوير الموصلات الفائقة المستقرة". 

كانت مجموعة جاريلو هيريرو البحثية أول من اكتشف الجرافين بالزاوية السحرية، في شكل هيكل من طبقتين من ورقتي جرافين موضوعتين واحدة فوق الأخرى بإزاحة زاويّة تبلغ 1.1 درجة بالضبط. هذا التكوين المتغير، المعروف باسم "شبكة تموج في النسيج الفائقة"، يحول المادة إلى موصل فائق قوي ومتين عند درجات حرارة منخفضة للغاية. واكتشف الباحثون أيضًا أن هذه المادة تُظهر نوعًا من بنية المعرفة الإلكترونية يسمى "النطاق المسطح"، حيث تتمتع إلكترونات المادة بنفس الطاقة، بغض النظر عن زخمها الزاوي. في هذه الحالة الإلكترونية ذات النطاق المسطح، وفي درجات حرارة شديدة البرودة، تعمل الإلكترونات العادية على إبطاء حركتها بشكل تعاوني بدرجة كافية بحيث تقترن معًا لتشكل أزواج كوبر - وهي مكونات أساسية للموصلية الفائقة القادرة على التحرك عبر المادة دون أي مقاومة. على الرغم من أن الباحثين لاحظوا أن الجرافين المنزاح يُظهر بالفعل كلاً من الموصلية الفائقة وبنية الشريط المسطح، إلا أنهم لم يكونوا واضحين فيما يتعلق بالسبب في تكوين الآخر.

يقول الباحث الرئيسي: "لم يكن هناك دليل على أن الشريط المسطح هو سبب الموصلية الفائقة". "لقد تمكنت مجموعات بحثية أخرى منذ ذلك الحين من إنتاج هياكل محولة من مواد أخرى ذات خطوط مسطحة، لكنها لم تكن تتمتع بموصلية فائقة مستقرة. ولذلك فكرنا في هذا: هل يمكننا إنتاج جهاز آخر ذو موصلية فائقة النطاق مسطحة؟

أثناء التفكير في هذا السؤال، توصلت مجموعة بحثية أخرى من جامعة هارفارد إلى حسابات تقول: ثبت رياضيا أن ثلاث طبقات من الجرافين، مائلة بزاوية قدرها 1.6 درجة، ستظهر أيضًا خطوطًا مسطحة، مما يشير إلى أن هذه الهياكل قد تكون فائقة التوصيل. وتابعوا ليبينوا أنه لا يوجد حد لعدد طبقات الجرافين التي قد تظهر موصلية فائقة، إذا تم تكديسها وتحريفها تجاه بعضها البعض في البنية المناسبة، بزوايا قام الباحثون بتقييمها أيضًا. وفي النهاية، أثبتوا أنهم قادرون رياضيًا على مطابقة أي بنية متعددة الطبقات مع بنية نطاق مسطح مشترك، وهو دليل قوي على أن النطاق المسطح قد يؤدي إلى موصلية فائقة مستقرة.

بعد وقت قصير من هذه الدراسة، وجد فريق بحث جاريلو هيريرو أن الموصلية الفائقة والشريط المسطح يتشكلان في حالة تحول ثلاثي الطبقات الجرافين - ثلاث صفائح من الجرافين موضوعة في شكل شطيرة الجبن، حيث يتم إزاحة الطبقة الوسطى بزاوية 1.6 درجة بالنسبة للطبقتين العلوية والسفلية. بالإضافة إلى ذلك، أظهر الهيكل المكون من ثلاث طبقات أيضًا اختلافات طفيفة مقارنة بنظيره المكون من طبقتين. وقال الباحث الرئيسي: "لقد قادتنا هذه النتيجة إلى السؤال - كيف يرتبط هذان الهيكلان بمجموعة المواد الأكثر عمومية، وهل هما بالفعل جزء من نفس عائلة المواد؟".

وكجزء من البحث الحالي، خطط الفريق لزيادة عدد طبقات الجرافين. لقد أنشأوا هيكلين جديدين تمامًا، يتكونان من أربع وخمس طبقات من الجرافين، على التوالي. يتكون كل هيكل من عدة طبقات إزاحة، تشبه الهياكل المألوفة المكونة من طبقتين وثلاث طبقات. احتفظ الباحثون بالهياكل في الثلاجة عند درجة حرارة تقل عن 273 درجة مئوية، ومرروا تيارًا كهربائيًا عبر كل من الهياكل وقاسوا النتائج في ظل ظروف مختلفة، على غرار الاختبارات التي أجريت على الهياكل المألوفة المكونة من طبقتين وثلاث طبقات.    

في النهاية، وجد الباحثون أنه حتى هياكل الجرافين الجديدة، ذات البنية المكونة من أربع وخمس طبقات، تظهر موصلية فائقة مستقرة بالإضافة إلى شريط مسطح. تشترك الهياكل أيضًا في خصائص أخرى مماثلة مع نظيراتها المكونة من طبقتين وثلاث طبقات، مثل استجابتها للمجالات المغناطيسية ذات القوة والزوايا والاتجاهات المختلفة. 

أظهرت هذه التجارب أن هياكل الجرافين المتغيرة يمكن اعتبارها عائلة جديدة من المواد، أو مجموعة من المواد فائقة التوصيل الشائعة. وتشير التجارب أيضًا إلى أنه قد يكون هناك "خروف أسود" في العائلة: حيث يُظهر الهيكل الأصلي ثنائي الطبقة، والذي لا يزال يشترك في العديد من السمات الرئيسية، اختلافات طفيفة عن نظيراته العائلية. على سبيل المثال، أظهرت التجارب السابقة للمجموعة البحثية أن الموصلية الفائقة للهيكل تختفي عند تطبيق مجالات مغناطيسية ضعيفة عليها، وتكون أكثر تفاوتًا مع دوران المجال حولها، مقارنة بنظيراتها متعددة الطبقات.  

أجرى الباحثون عمليات محاكاة حاسوبية لكل نوع من أنواع المباني، مع البحث عن تفسير للاختلافات بين أفراد المجموعة. وخلصوا إلى أن حقيقة أن الموصلية الفائقة لطبقة الجرافين الثنائية المنزاحة تتلاشى تحت ظروف مغناطيسية معينة هي ببساطة لأن جميع الطبقات الفيزيائية موجودة بطريقة "ليست صورًا مرآة لبعضها البعض" داخل الهيكل. بمعنى آخر، لا توجد طبقتان داخل البنية تمثلان صورتين متطابقتين لبعضهما البعض، بينما تشتمل هياكل الجرافين الأخرى على نوع معين من تناظر المرآة. تشير هذه النتائج إلى أن الآلية التي تدفع الإلكترونات للتدفق بموصلية مستقرة هي آلية شائعة في عائلة الجرافينات المنزاحة بأكملها. يوضح الباحث الرئيسي: "هذه النتيجة مهمة جدًا". "إذا لم نكتشف ذلك، فسيعتقد الناس أن الجرافين ثنائي الطبقة أكثر تقليدية مقارنة بالهياكل متعددة الطبقات. ومع ذلك، فقد أظهرنا أن كلاهما ينتمي إلى نفس عائلة المواد فائقة التوصيل المستقرة."

ملخص المقال