يكشف بحث جديد عن نظام بلوري ثنائي الأبعاد يسمح بالتحكم الفريد في شحنته الكهربائية من خلال الانزلاق بين الطبقات الذرية. يخلق النظام الجديد درجات سلم سميكة ذريًا ذات إمكانات كهربائية منفصلة ومحددة جيدًا، وقد يكون له العديد من التطبيقات في الصناعة بشكل عام وفي تكنولوجيا المعلومات بشكل خاص.
يكشف بحث جديد عن نظام بلوري ثنائي الأبعاد يسمح بالتحكم الفريد في شحنته الكهربائية من خلال الانزلاق بين الطبقات الذرية. يقوم النظام الجديد بإنشاء درجات سلمية ذات سماكة ذرية ذات إمكانات كهربائية منفصلة ومحددة جيدًا، وقد يكون له العديد من التطبيقات في الصناعة بشكل عام وفي تكنولوجيا المعلومات بشكل خاص.
تم إجراء البحث بقيادة فريق الباحثين: د. سواروب دوف، طالب البحث نوعم راب، البروفيسور موشيه غولدشتاين والدكتور موشيه بن شالوم من كلية الفيزياء في جامعة تل أبيب، د. واي خاو، البروفيسور عوديد هود والبروفيسور ميخائيل أورباخ من قسم الكيمياء في جامعة تل أبيب، والبروفيسور ليئور كرونيك من معهد وايزمان للعلوم.
ونشرت نتائج الدراسة في مجلة الطبيعة المرموقة.
يوضح الدكتور موشيه بن شالوم، رئيس مختبر المواد الكمومية الطبقية في كلية الفيزياء: "نحن فضوليون للغاية لمعرفة كيف تقرر الذرات ترتيب نفسها في المادة، وكيف تختار الإلكترونات أن تختلط مع بعضها البعض، وكيف يمكن التلاعب بالنظام الذري والشحنة الكهربائية من الخارج. من الصعب الإجابة على هذه الأسئلة بسبب الكم الكبير من الذرات والإلكترونات الموجودة حتى في أصغر الأجهزة الموجودة اليوم. إحدى الحيل هي دراسة البلورات، حيث أن ذراتها مرتبة في بنية دورية، بحيث يتم تحديد المعلومات حول النظام بأكمله من خلال خصائص الخلية الدورية الواحدة - والتي تتضمن عددًا واحدًا من الذرات والإلكترونات. ولا يزال من الصعب علينا فهم ترتيبها والتنبؤ به، لأن الإلكترونات موزعة على جميع الذرات في نفس الوقت، وخصائص النظام الكمي تتحدد من خلال جميع الجزيئات معًا والعلاقات المتبادلة بينها.
إحدى الطرق لاكتشاف ترتيب الذرات وتوزيع الشحنة الكهربائية هي كسر تماثل البنية، بحيث يتم إنشاء مجال كهربائي داخلي ثابت في البلورة. تسمى هذه البلورات "قطبية" أو مستقطبة. في عام 2020، أنشأ مختبر الدكتور بن شالوم بلورة مستقطبة جديدة عن طريق لصق طبقتين متطابقتين - حيث يبلغ سمك كل طبقة ذرة واحدة. לעומת הגבישים הסימטריים שגדלים בטבע בהם כל שכבה חדשה מסתובבת כדי למקם אטומים מסוג אחד בדיוק מעל לאטומים מסוג שני, החוקרים הדביקו את זוג השכבות ללא הסיבוב – וכך גרמו להחלקה זעירה בין השכבות ששוברת את הסימטריה, גורמת לדילוג של האלקטרונים משכבה אחת לאחרת, ויוצרת קיטוב חשמלי داخلي. وفي خطوة ثانية، اكتشف الباحثون أنه من الممكن الانزلاق بين الطبقات ذهابًا وإيابًا وبالتالي تبديل الاستقطاب الكهربائي باستخدام مجال كهربائي خارجي (انظر الشكل). أطلقوا على هذه الظاهرة اسم SlideTronics.
"الانزلاق والتسلق بين الاستقطابات الكهربائية": يحتوي التركيب البلوري الدوري على زوج من الذرات على فترات منتظمة في كل طبقة أفقية. يمكن أن تنزلق كل طبقة إضافية إلى اليمين أو اليسار في المستوى الأفقي لوضع ذرة زرقاء فوق الذرة الحمراء تمامًا أو العكس، وبالتالي ترتد الإلكترونات ذات الشحنة الكهربائية لأعلى أو لأسفل بين الطبقات. وخلافًا للبلورات المستقطبة المعروفة حتى الآن، يتغير الجهد الكهربائي في النظام الجديد بقيمة ثابتة ومحددة جيدًا بين كل خطوة. من الممكن الصعود بشكل متحكم فيه بين جميع الخيارات المختلفة، أي أنه من الممكن التبديل بين وحدات المعلومات في نفس البلورة على عكس زوج من الأوضاع في التقنيات السابقة.
ويضيف الدكتور بن شالوم: "إن البلورة المستقطبة الجديدة التي اكتشفناها، والتي يبلغ سمكها ذرتين فقط، هي أنحف ما يمكن ويمكن استخدامها في تكنولوجيات المعلومات القائمة على النفق الكمي. نقوم بتطوير وحدات الأنفاق هذه في شركة Slide-Tro LTD، وهي شركة أنشأتها الجامعة ومستثمر خارجي وتعمل حاليًا تحت الرادار، ونعتقد أن هذه الظاهرة تتيح قاعدة واسعة للأجهزة الإلكترونية المبتكرة بدءًا من حلول تقليل الطاقة وحتى الذاكرة المحسنة وحدات. فيما يتعلق بالبحث الأساسي، أثار الاكتشاف على الفور أسئلة جديدة بالنسبة لنا: كيف سيتم ترتيب الشحنة؟ وماذا سيكون حجم الاستقطاب؟ إذا قمنا بربط طبقات إضافية بالنظام بطريقة تكسر أو تحافظ على التماثل؟" "وبعبارة أخرى، بدلا من تخفيف سمك النظام عن طريق تناول طبقات من البلورة، كما كان يحدث حتى الآن، يمكننا الآن تكديس البلورات المستقطبة طبقة بعد طبقة فوق بعضها البعض وفي نفس الوقت قياس حجم الاستقطاب والإمكانات الكهربائية المتولدة في كل خطوة من مقياس الطبقة."
في التجربة الحالية، تمكن الباحثون من مقارنة المناطق المتجاورة بعدد مختلف من الطبقات المكدسة معًا مع الانزلاقات في اتجاهات مختلفة التي تخلق استقطابات بأحجام مختلفة. على سبيل المثال، بالنسبة لأربع طبقات (وثلاثة أسطح تلامس مستقطبة) هناك أربعة خيارات لترتيب اتجاه الاستقطابات الثلاثة: جميعها تشير إلى الأعلى ↑↑↑، اثنتان إلى الأعلى وواحدة إلى الأسفل ↑↑↓، وواحدة إلى الأعلى واثنتان إلى الأسفل ↑↓↓ أو ثلاثة لأسفل ↓↓↓.
يقول نعوم راب، الطالب الباحث الذي قام بقياس البلورات: "لحسن الحظ، اكتشفنا مقياسًا لاستقطابات محددة جيدًا مفصولة بقيم استقطاب موحدة، بحيث يمكن استخدام كل خطوة من المقياس كوحدة منفصلة للمعلومات". "كما ذكرنا، فإن هذا التفاعل مختلف تمامًا عن تفاعل البلورات المعروفة حتى الآن، حيث يكون تفاعل السطح مع الاستقطاب كبيرًا وتغيير الاستقطاب ممكنًا كوحدة واحدة فقط - أي أن تغيير الاستقطاب في طبقة واحدة يتغير تهمة جميع الطبقات." الدكتور. ويؤكد سواروب دوف، المؤلف الرئيسي للمقال: "لقد تمكنا أيضًا من شحن الطبقات بإلكترون إضافي لكل مائة ذرة تقريبًا، وبالتالي تحسين موصلية البلورات في المستوى بشكل كبير دون الإضرار بالاستقطاب العمودي". بمساعدة الحسابات النظرية المستندة إلى المبادئ الأساسية لميكانيكا الكم، اكتشفنا أنه من الممكن تصميم وبناء مجموعات بلورية إضافية ذات طبقات من خلال الانزلاق النسبي بين الطبقات، وأن المعلومات المتعلقة باستقطاب النظام وتماثله تظل مغلقة بين الطبقات ومحمية من البيئة"، يقول د. واي تشاو هو مؤلف رئيسي آخر قام بالحسابات. "في الواقع، ساعدنا "Hakeltronica" في اكتشاف أنحف مقياس استقطاب يمكن بناؤه"" يختتم الدكتور. بن شالوم. "إن الاستمرار الضروري للأبحاث المستقبلية هو التلاعب بالأوامر الإلكترونية الإضافية، مثل الاستقطاب المغناطيسي والموصلية الفائقة من خلال انزلاقات مماثلة بين التناظرات البلورية المختلفة."
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
