تمكن علماء معهد وايزمان للعلوم من اكتشاف تحولات جديدة في نظام الجرافين عند "الزاوية السحرية"
كل هذا يتوقف على الوزن، أو، كما يقول الفيزيائيون، الكتلة الفعالة. على سبيل المثال، عندما تتحرك الإلكترونات في نظام "عادي"، تكون خفيفة ومن ثم يكون سلوكها بسيطًا نسبيًا. لكن عندما تتحرك في نظام يتكون من "لوحتين" من الجرافين، مائلتين بالنسبة لبعضهما البعض بزاوية تعرف باسم "الزاوية السحرية" - تصبح الإلكترونات "ثقيلة" (أي تزداد كتلتها الفعالة) - وبعد ذلك تحدث ظواهر غريبة. وكما هو معروف في لغة العلماء فإن "الغريب" مثير للاهتمام.
قام البروفيسور شاشيل إيلاني من قسم فيزياء المواد المكثفة في معهد وايزمان للعلوم وأعضاء المجموعة البحثية التي يرأسها مؤخرًا بإجراء عدة تجارب على نظام من أسطح الجرافين في "الزاوية السحرية"، وحصلوا على بعض الأفكار حول خصائصه من الإلكترونات "الثقيلة" التي تتحرك في مثل هذا النظام. تم وصف هذه الاكتشافات في مقال نشر في المجلة العلمية Nature.
الجرافين عبارة عن شبكة ثنائية الأبعاد من ذرات الكربون، موصلة للكهرباء وخالية من الشوائب. تسمح هذه الخصائص بحركة ممتازة للإلكترونات والحد الأدنى من فقدان الطاقة. فاز مطورا الجرافين، البروفيسور أندري جيم من جامعة مانشستر والبروفيسور كونستانتين نوفوسلوف، بجائزة نوبل في الفيزياء لهذا الاكتشاف في عام 2010. وبعد سنوات قليلة من اكتشاف الجرافين، اكتشف علماء آخرون - بما في ذلك خريج المعهد اقترح الدكتور رافي بيستريتزر تنبؤًا نظريًا، والذي بموجبه في نظام مبني على سطحين من الجرافين موضوعين بزاوية معينة لبعضهما البعض ("الزاوية السحرية")، ستزداد الكتلة الفعالة للإلكترونات بشكل كبير، مما قد يتجلى في تكوين ظواهر مثل المغناطيسية والموصلية الفائقة والمزيد. حصل هذا البحث على جائزة وولف لعام 2020 للدكتور بيستريتزر وشركائه البحثيين.
في عام 2018، نجح علماء من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، بما في ذلك بابلو هيريرو هيريرو، في بناء نظام أسطح الجرافين في "الزاوية السحرية"، وتمكنوا بالفعل من اكتشاف خاصية الموصلية الفائقة (القدرة على ينقل تياراً كهربائياً بدون مقاومة على الإطلاق). أعاد هذا العمل إلى السطح مرة أخرى لغز تكوين الموصلات الفائقة عند درجات حرارة عالية (نسبيًا).
في هذه المرحلة، قرر البروفيسور إيلاني وطلاب البحث أوري زوندينر وأساف روزن في المعهد، بالتعاون مع مجموعة هاريرو-هاريرو، دراسة ما كان يحدث في هذا النظام. تنقسم الإلكترونات الموجودة في النظام، حسب خصائصها، إلى أربعة "معسكرات". في الحالة الطبيعية يكون التوزيع عشوائيًا ومتساويًا إلى حدٍ ما. أي أنه يوجد في كل من "المعسكرات" الأربعة حوالي ربع عدد الإلكترونات الموجودة في النظام. لكن عند هذه النقطة بدأ العلماء بإضافة الإلكترونات ("الحاملات"). في البداية، تم أيضًا تقسيم الإلكترونات الإضافية بالتساوي تقريبًا بين "المعسكرات" الأربعة، ولكن بعد تجاوز الإضافة "حدًا" معينًا، بدأت جميع الإلكترونات الموجودة في النظام (الموجودة والمضافة) في "التدفق" نحو واحد معين. "معسكر". عندما امتلأ هذا "المعسكر" إلى أقصى حد - تم إفراغ المعسكرات الأخرى تمامًا من الإلكترونات و"أُجبرت" على البدء في الامتلاء من البداية. هذه العملية العبثية، حيث تملأ الإلكترونات معسكرًا، ثم تُؤخذ إلى معسكر آخر وتبدأ من جديد، تختلف تمامًا عن السلوكيات المعروفة في الأنظمة العادية. وتم تفسير النتائج التجريبية بنموذج نظري بسيط، صاغه الأساتذة إيرز بيرج، وآدي ستيرن، ويوفال أورج وباحثة ما بعد الدكتوراه الدكتورة راشيل كويروس من المعهد والبروفيسور فيليكس فون أوبن من جامعة فراي في برلين. وتعد هذه الاكتشافات خطوة مهمة على طريق فهم السلوكيات الخاصة التي أظهرها نظام "الزاوية السحرية". يمكنهم شرح كيف تصبح هذه المادة مغناطيسية في مرحلة انتقالية بالإضافة إلى العملية التي تصبح المادة من خلالها موصلًا فائقًا. "في نهاية هذه العملية"، يقول العلماء، "تشكل الإلكترونات من مجموعتين مختلفتين "أزواجًا" (واحد من كل مجموعة) و"تخرج في نوع من الرقص"".
إن معرفة هذه الظواهر وفهمها قد يساعد العلماء على حل بعض الأسئلة الكبيرة المفتوحة في فيزياء المادة المكثفة، كما يعزز تطوير أنظمة إلكترونية من نوع جديد، بخصائص جديدة لا يمكن الحصول عليها في أي من الأنظمة الموجودة اليوم.
