تم التحقق من الخواص الإلكترونية لمادة الجرافين

اتضح أن الجرافين ليس فقط أصغر مادة ممكنة، ولكنه أيضًا أقوى بعشر مرات من الفولاذ وموصل أفضل للكهرباء من أي مادة أخرى معروفة في درجة حرارة الغرفة.

في البداية، كانت هذه الكرات على شكل كرة القدم والتي كانت تسمى كرات الباكي (الفوليرين). وبعد ذلك، أصبحت هذه الأنابيب النانوية على شكل أسطوانات. الآن، المادة الجديدة الأكثر روعة في الفيزياء وتكنولوجيا النانو هي الجرافين - وهو جسيم مسطح للغاية يتكون من ذرات الكربون منظمة في نمط من الحلقات السداسية.

إنها ليست فقط أصغر مادة ممكنة، ولكنها أيضًا أقوى بعشر مرات من الفولاذ وموصل أفضل للكهرباء من أي مادة أخرى معروفة في درجة حرارة الغرفة. إن خصائص الجرافين هذه، وخصائصه الرائعة الأخرى، هي التي جذبت انتباه الفيزيائيين - الذين بدأوا بفحصها، وعلماء تكنولوجيا النانو - الذين بدأوا في استخدامها لإعداد أجهزة ميكانيكية وكهربائية مبتكرة.

يقول كيريل بولوتين، أستاذ الفيزياء وعلم الفلك في جامعة فاندربيلت (ناشفيل، تينيسي، الولايات المتحدة الأمريكية): "هناك خاصيتان تجعلان الجرافين استثنائيًا". "أولاً، هيكلها الجزيئي مقاوم جدًا للعيوب الهيكلية لدرجة أن الباحثين اضطروا إلى إدخالها عمدًا من أجل اختبار آثار هذه العيوب. ثانيًا، تتحرك الإلكترونات التي تحمل الشحنة الكهربائية بشكل أسرع وتتصرف بشكل عام كما لو أن كتلتها أصغر بكثير من تلك المقاسة في المعادن العادية أو الموصلات الفائقة.

في مقال نشر هذا الشهر في مجلة نيتشر المرموقة، أفاد العالم وفريقه البحثي أنهم نجحوا في إنتاج جرافين نظيف بما فيه الكفاية بحيث يظهر ظاهرة إلكترونية غريبة تعرف باسم "تأثير هول الكمي الجزئي" (دخول ويكيبيديا). )، حيث تعمل الإلكترونات معًا لتكوين جسيمات مشحونة جديدة تمثل جزءًا من شحنة الإلكترون الواحد.

على الرغم من أن الجرافين هو أول مادة بلورية ثنائية الأبعاد يتم اكتشافها، فقد فكر العلماء على مر السنين في كيفية تصرف الغازات والمواد الصلبة الأخرى ثنائية الأبعاد. كما تمكنوا أيضًا من إنشاء تقريب قريب لغاز الإلكترون ثنائي الأبعاد من خلال ربط مادتين من أشباه الموصلات مختلفتين قليلًا. وتنحصر الإلكترونات في السطح البيني بين شبه الموصلين وتقتصر حركتها على حركة ثنائية الأبعاد فقط. عندما يتم تبريد مثل هذا النظام إلى أقل من درجة واحدة فوق الصفر المطلق ويطبق عليه مجال مغناطيسي قوي، تحدث هذه الظاهرة.

منذ أن اكتشف العلماء كيفية صنع الجرافين (قبل خمس سنوات)، كانوا يحاولون جعله يظهر هذه الظاهرة، مع نجاح هامشي فقط. وبحسب الباحث، فقد أدرك فريق من جامعة كولومبيا في الولايات المتحدة الأمريكية أن المشكلة هي اضطراب ناشئ عن السطح الذي يوضع عليه الجرافين. بعد ذلك، استخدم الباحثون أساليب الطباعة الحجرية لأشباه الموصلات لوضع صفائح نظيفة للغاية من الجرافين بين النقاط المجهرية أعلى سطح شريحة أشباه الموصلات. عندما قاموا بتبريد هذا التكوين إلى مدى يصل إلى ست درجات فوق الصفر المطلق وطبقوا مجالًا مغناطيسيًا، أحدث الجرافين تأثير هول، تمامًا كما تنبأت النظرية.

أفضل طريقة لفهم هذه الظاهرة، التي تتعارض مع منطقنا الطبيعي، هي التفكير في الإلكترونات الموجودة في الجرافين كما لو أنها تخلق موجة مشحونة رقيقة للغاية. عندما يتم تطبيق مجال مغناطيسي، تنتج هذه الموجة دوامات في تيار الإلكترون. وبما أن الإلكترونات لها شحنة سالبة، فإن هذه الدوامات لها شحنة موجبة. يتم الحصول على هذه "الدوامات" بشحنة جزئية تبلغ ثلث ونصف وثلثي شحنة إلكترون واحد. تنجذب حاملات الشحنة الموجبة هذه إلى إلكترونات التوصيل، وتشكل في النهاية أشباه جسيمات (شبه جسيمات) بشحنة جزئية.

من المهم فهم الخصائص الإلكترونية للجرافين، لأنه على عكس المواد الأخرى المستخدمة في صناعة الإلكترونيات، يظل الجرافين مستقرًا وموصلًا حتى على المستوى الجزيئي. ونتيجة لذلك، عندما تصل تكنولوجيا السيليكون الحالية إلى حد التصغير الأساسي في السنوات المقبلة، فقد يحل الجرافين محلها.

وفي الوقت نفسه، يهتم علماء الفيزياء النظرية بالجرافين لسبب مختلف تمامًا: فهو يوفر إمكانيات جديدة لاختبار نظرياتهم.

أثناء حركة الإلكترونات داخل المعادن العادية، فإنها تتفاعل مع المجالات الكهربائية التي تنشأ عن شبكة ذرات المعدن، وهي المجالات التي تجذبها وتتنافر معها بطريقة معقدة. ونتيجة لذلك، تتصرف الإلكترونات كما لو أن لها كتلة مختلفة عن كتلتها الطبيعية الأصلية. ولذلك يسميها الفيزيائيون "الكتلة الفعالة" ويشيرون إليها بأشباه الجسيمات. وحتى عندما تتحرك حول الجرافين، فإنها تتصرف كأشباه جسيمات، ولكن بطريقة تجعلها عديمة الكتلة. اتضح أن أشباه جسيمات الجرافين، على عكس تلك الموجودة في المواد الأخرى، تخضع لقوانين الديناميكا الكهربائية الكمومية - وهي نفس معادلات النسبية التي يستخدمها الفيزيائيون لوصف سلوك الجسيمات في الثقوب السوداء ومسرعات الجسيمات عالية الطاقة. ونتيجة لذلك، يمكن لهذه المادة المبتكرة أن تسمح للفيزيائيين بإجراء تجارب فعلية لاختبار صحة نماذجهم النظرية للبيئات الأكثر تطرفًا الموجودة في الكون بأكمله.

أخبار الدراسة