تجربة أجريت في قسم الفيزياء في جامعة بار إيلان، ضمن المجموعة البحثية للبروفيسور بينا كاليسكي، باستخدام جهاز استشعار فريد من نوعه طوره الباحثون، وثقت ظاهرة تكسر الأعراف في مجال انتقال المادة من موصل إلى موصل. عازل. أظهرت مراقبة الأجهزة الحساسة أنه إذا نظرت عن كثب، تكتشف أن القانون الذي يعتبر عالميًا لم يعد موجودًا
أتاحت تكنولوجيا الأبحاث التجريبية الموجودة في عدد قليل من المختبرات في العالم للباحثين في مختبر البروفيسور بينا كاليسكي إظهار أن القوانين، التي كانت تعتبر حتى الآن عالمية، تنتهك عندما يتم ملاحظتها على المستوى المجهري. عندما تقترب مادة ما من مرحلة انتقالية، أي الانتقال من حالة الموصل إلى حالة العازل، فمن المتوقع أن يكون للتيار الكهربائي الذي يمر عبرها شكل فركتلي، أي أنه سيبدو كما هو عند تكبيره وتم التصغير. تظهر الفركتلات ذات الهياكل المتشابهة في أنظمة مختلفة تمامًا عن بعضها البعض، بدءًا من مرور تيار كهربائي عبر مادة موصلة، إلى ترشيح الماء في التربة أو القهوة من خلال مرشح، إلى تقدم حريق الغابة. ونشرت الدراسة في المجلة العلمية Nature Communication.
المعنى العالمي لهذا القانون هو أن البنية الكسورية لا تتعلق بالخصائص المجهرية للنظام بل بأشياء أكثر عمومية. ويمكن مقارنتها بتسرب الماء الذي يبدو متماثلاً في نوعين من التربة. يتجاوز التيار العوائق بأقصر الطرق ويستمر بالرياح. أظهرت الأبحاث التي أجراها طالب الدكتوراه إيلون بيرسكي، بالتعاون مع باحثين من جامعتي دلفت وستانفورد، أنه على المستوى المجهري قد يتوقف القانون العالمي عن الوجود.
تم إجراء تجربة بيرسكي في أنظمة إلكترونية ثنائية الأبعاد - وهي طبقة رقيقة جدًا من المادة، يمكن استخلاص الإلكترونات منها تدريجيًا. عندما تكون كثافة الإلكترون منخفضة بما فيه الكفاية، يتوقف التوصيل الكهربائي. وهي طريقة معروفة للتحكم في موصلية المواد، يحدث خلالها ما يعرف في الفيزياء بـ "الانتقال الطوري"، أي انتقال المادة من سلوك - معدن موصل إلى سلوك آخر - المواد العازلة. وتوقع الباحثون المختبريون أنه عند الكثافة الحرجة، في المرحلة الانتقالية بين المراحل، ستحدث أشياء مثيرة للاهتمام. كانوا على حق.
الوسط الذي يمر من خلاله التيار في التجربة هو السطح البيني بين مادتين هما نوع من السيراميك، كل واحدة منهما معزولة على نفسها. لغرض المراقبة، قم بإنشاء واجهة بين نوعين من السيراميك المختلفين. يتم تشكيل الواجهة عن طريق زراعة طبقات ذرية فردية من مادة واحدة على مادة أخرى. تتراكم الإلكترونات في خط التماس بين المادتين وبالتالي تتكون طبقة موصلة. يتم إنشاء التدفق أحادي البعد لأن الإلكترونات الموجودة في شطيرة الطبقات الخزفية تتأثر ببنيتها البلورية. الخطوط أحادية البعد هي عيوب في البلورة. يوضح بيرسكي: "إنه نوع خاص من الخلل". "يمكنك أن تتخيلها مثل الشقوق التي تصنعها في الخبز قبل الخبز، وعندما يصبح جاهزًا يكون هناك انبعاج فيه. هذه الأشياء تخلق تحولا غير عالمي. وهذا يختلف عما كان متوقعًا لأنه يعني أن التحول يعتمد على الخصائص المجهرية للنظام وليس فقط على الخصائص العامة التي تنطبق على العديد من أنواع المواد."
هل تدفق الإلكترون ليس عالميًا ولكنه يعتمد على التفاصيل المجهرية للنظام؟
"الاكتشاف هو أنه في النظام الذي نظرنا إليه، تم كسر هذه العالمية. من بعيد، يبدو التحول عالميًا، ولكن من قرب لا يبدو الأمر كذلك،" يوضح بيرسكي. "لقد اكتشفنا أن شيئًا آخر كان يحدث. بدلاً من الفراكتل، وهو هيكل ملتوي، رأينا أن التيار في العديد من الأماكن يتدفق في خطوط مستقيمة. تنشأ هذه الخطوط بسبب عيوب مجهرية في البلورة - الموجودة في السيراميك - التي تستضيف الإلكترونات. وهذا يعني أن تدفق الإلكترون ليس عالميًا ولكنه يعتمد على التفاصيل المجهرية للنظام. هناك انتقال من التدفق ثنائي الأبعاد إلى التدفق في خطوط مستقيمة أحادية البعد." يمكنك أن تتخيل الأمر كورقة شجر تطفو على الماء في مجرى نهر طبيعي. أبحر ببطء عبر اللفات الكسورية للقناة، ووصل فجأة إلى قناة مستقيمة، بسبب بعض الاضطرابات، حيث كان التدفق سريعًا.
يوضح بيرسكي: "فيما يتعلق بأنواع المواد، كانت هناك العديد من الأسئلة المفتوحة بعد تجاربنا السابقة وتجارب الآخرين". "على العموم، كانت هناك صورة واضحة جدًا لما يجب أن يبدو عليه التحول نتيجة لقياسات أخرى (على سبيل المثال، من قياس مقاومة النموذج)، ولكن داخل هذه الصورة كانت هناك تفاصيل لا تضيف شيئًا - على سبيل المثال، تتصرف النماذج المختلفة بطرق مختلفة، ولكل نموذج نقطة حرجة خاصة به، اعتمادًا على حجمه والمزيد. كان دافعنا هو محاولة إعطاء صورة مجهرية تشرح كل هذه التفاصيل. والحقيقة أن الاكتشاف - أن الانتقال ليس عالميًا ويعتمد على العيوب - يحل المشكلة: في جميع المواد يتم ترتيب العيوب بطريقة مختلفة وتبين أن هذا يؤثر بشكل كبير على التحول.
وينتج التيار الكهربائي مجالات مغناطيسية، ويقوم جهاز استشعار حساس للغاية للمجالات المغناطيسية تم تطويره في مختبر كاليسكي بالتقاط صور مجهرية للمجال المغناطيسي، ويمكن من خلالها استنتاج صورة التيار الكهربائي. "هذه قدرة لا تمتلكها سوى مجموعات قليلة جدًا في العالم، مما يسمح بمراقبة دقيقة ودقيقة للتغيرات في الطبقة الرائدة حتى المرحلة الحرجة. في أي لحظة يمكننا معرفة مقدار التيار الذي مر. يقول بيرسكي: "إنه شيء فريد من نوعه سمح لنا بالتوصل إلى استنتاجات".
معنى هذا الاكتشاف هو أنه إذا كنت تخطط للأجهزة الإلكترونية التي تستفيد من طبقات السيراميك، عليك أن تأخذ في الاعتبار أن التدفق أحادي البعد سيحدث. قد يكون من الممكن استغلال التدفق أحادي البعد لإنتاج مكونات أكثر كفاءة، أو ذات خصائص فريدة. على مستوى أكثر عمومية، هذا يعني أنه يجب فحص كل مرحلة انتقالية بعناية على المستوى المجهري ومعرفة ما إذا كانت عالمية أو إذا كانت لها خصائص فريدة.
وفي أنظمة مثل تقدم الحريق في حرائق الغابات المتأثرة بكثافة الأشجار، قد يتأثر ترشيح الماء في التربة بحجم الحبوب أو مرور القهوة في مرشح يعتمد على ألياف الورق. تكون منطقة تدفق غير متوقع وأسرع. "في الغابة من السهل التعرف عليه، ولكن في أنظمة الإلكترونات يكون الأمر أكثر تعقيدًا. لا يكفي معرفة ما إذا كان النظام موصلًا أم لا، بل عليك الذهاب إلى المنطقة وتصوير الإلكترونات. ويخلص بيرسكي إلى أن التفاصيل المجهرية قد تغير السلوك على المستوى العالمي.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
