วิธีการที่ง่ายกว่าสำหรับการสร้างวัสดุควอนตัม

วิธีการที่ง่ายกว่าสำหรับการสร้างวัสดุควอนตัม

การแสดงภาพพื้นผิวที่ออกแบบอย่างพิถีพิถันซึ่งทำให้แผ่นกราฟีนที่สะสมอยู่เกิดระลอกคลื่น การบิดเบือนนี้ทำให้เกิดกระแสน้ำที่อยู่ด้านเดียวของโครงสร้างนาโนริบบอน เครดิต: Võ Tiến Phong

เนื่องจากกราฟีนถูกแยกออกเป็นครั้งแรกและมีลักษณะเฉพาะในช่วงต้นทศวรรษ 2000 นักวิจัยจึงได้สำรวจวิธีการใช้วัสดุนาโนที่มีอะตอมบางเฉียบนี้ เนื่องจากมีคุณสมบัติเฉพาะตัว เช่น ความต้านทานแรงดึงสูงและการนำไฟฟ้า

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา กราฟีน bilayer bilayer แบบบิดซึ่งทำจากแผ่นกราฟีนสองแผ่นบิดเป็นมุม “มหัศจรรย์” ที่เฉพาะเจาะจง ได้รับการพิสูจน์ว่ามีความเป็นตัวนำยิ่งยวด ซึ่งหมายความว่าสามารถนำไฟฟ้าได้โดยมีความต้านทานน้อยมาก อย่างไรก็ตาม การใช้วิธีการนี้ในการทำให้อุปกรณ์ยังคงมีความท้าทาย เนื่องจากให้ผลผลิตต่ำในการผลิตกราฟีน bilayer แบบบิดเกลียว

ผลการศึกษาใหม่แสดงให้เห็นว่าการเสียรูปของกราฟีนชั้นเดียวที่มีรูปแบบเป็นระยะๆ ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงเป็นวัสดุที่มีคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ซึ่งเคยพบเห็นในแผ่นกราฟีนแบบบิดเบี้ยวอย่างไร ระบบนี้ยังโฮสต์สถานะการดำเนินการที่ไม่คาดคิดและน่าสนใจเพิ่มเติมที่ขอบเขต ด้วยความเข้าใจที่ดีขึ้นเกี่ยวกับคุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์เกิดขึ้นเมื่อกราฟีนแผ่นเดียวได้รับความเครียดเป็นระยะ งานนี้จึงมีศักยภาพที่จะสร้างอุปกรณ์ควอนตัมเช่นแม่เหล็กโคจรและตัวนำยิ่งยวดในอนาคต การศึกษาที่ตีพิมพ์ใน จดหมายทบทวนทางกายภาพดำเนินการโดยนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา Võ Tiến Phong และศาสตราจารย์ Eugene Mele ในภาควิชาฟิสิกส์และดาราศาสตร์ของ Penn ใน School of Arts & Sciences

ทางเลือกหนึ่งสำหรับวิธีการบิดเกลียวที่ซับซ้อนคือการใช้กราฟีนชั้นเดียวที่วางบนพื้นผิวที่มีลวดลายประณีต ซึ่งรู้จักกันในชื่อ “ตะปู” ซึ่งใช้แรงภายนอกหรือความเครียดเป็นระยะๆ เพื่อทำความเข้าใจคุณสมบัติเชิงเรขาคณิตควอนตัมของระบบนี้ให้ดีขึ้น Mele และ Phong ได้เริ่มทำความเข้าใจเกี่ยวกับทฤษฎีที่ว่าอิเล็กตรอนเคลื่อนที่อย่างไรในระบบชั้นเดียวนี้

หลังจากใช้คอมพิวเตอร์จำลองการทดลองแบบชั้นเดียว นักวิจัยรู้สึกประหลาดใจที่พบหลักฐานใหม่ของปรากฏการณ์ที่ไม่คาดคิดตามพื้นผิวของวัสดุ แต่มีเพียงด้านเดียวเท่านั้น “โดยทั่วไป โทโพโลยีในกลุ่มจะสัมพันธ์กับคุณสมบัติของพื้นผิว และเมื่อเป็นกรณีนี้ พื้นผิวทั้งหมดจะสืบทอดคุณสมบัติดังกล่าว” เมเล่กล่าว “ในที่นี้ ความจริงที่ว่ามีโหมดขอบอยู่ด้านหนึ่งและอีกด้านไม่ใช่โหมดอื่นๆ ที่ทำให้ฉันรู้สึกว่าไม่ปกติอย่างสุดซึ้ง”

การค้นพบนี้ไม่คาดคิดเพราะในระบบนี้ สนามแม่เหล็กเทียมเฉลี่ยที่เกิดขึ้นเมื่อระบบตึงตัว มีค่าเป็นศูนย์—เป็นบวกในพื้นที่หนึ่งแต่เป็นลบในอีกพื้นที่หนึ่ง ซึ่งนักวิจัยตั้งสมมติฐานว่าจะยกเลิกปรากฏการณ์พิเศษใดๆ ออกไป “ถ้าสนามแม่เหล็กเป็นศูนย์ คุณอาจจะไม่ได้ฟิสิกส์ที่น่าสนใจเลย” นายพงษ์กล่าว “ในทางตรงกันข้าม เราพบว่าแม้ว่าสนามแม่เหล็กเฉลี่ยจะเป็นศูนย์ แต่ก็ยังให้ฟิสิกส์ที่น่าสนใจที่ขอบ”

เพื่ออธิบายผลลัพธ์ที่ไม่คาดคิดนี้ คุณพงษ์ได้พิจารณาระบบการทดลองที่คล้ายกันอย่างละเอียดยิ่งขึ้น โดยที่แผ่นกราฟีนแผ่นเดียวโค้งงอเพื่อจำลองค่าคงที่แทนที่จะใช้สนามที่เกิดจากความเครียดเป็นระยะ พงษ์พบว่าระบบนี้มีดัชนีทอพอโลยีเหมือนกัน หมายความว่าขอบระบุว่าจะเจริญได้เฉพาะด้านใดด้านหนึ่งของวัสดุเท่านั้นที่จะเกิดขึ้น “ฟิสิกส์ที่นี่มีความคล้ายคลึงกันและดูเหมือนจะเป็นคำอธิบายที่ถูกต้องสำหรับปรากฏการณ์ที่เรากำลังดำเนินการอยู่” นายพงษ์กล่าว

โดยรวมแล้ว การศึกษานี้คาดการณ์ว่าแถบแบนๆ คล้ายกับที่พบใน bilayer graphene แบบบิดเกลียว ถูกสร้างขึ้นโดยการวางชั้นเดียวบางอะตอมลงบนพื้นผิวที่ก่อให้เกิดการบิดเบือนเป็นระยะบนแผ่นกราฟีน

นักวิจัยกำลังก้าวหน้าไปสู่ความเข้าใจที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับระบบชั้นเดียวเหล่านี้ ช่องทางหนึ่งของการวิจัยเพิ่มเติมเกี่ยวข้องกับความร่วมมือกับผู้ช่วยศาสตราจารย์ Bo Zhen เพื่อศึกษาปรากฏการณ์เดียวกันนี้โดยใช้คลื่นแสง นักวิจัยยังสนใจที่จะดูว่าคุณสมบัติพิเศษอื่น ๆ ที่มีอยู่ในกราฟีน bilayer bilayer อาจเกิดขึ้นภายในระบบชั้นเดียวหรือไม่

“แม้ว่าฟิสิกส์จะเรียบง่าย หมายความว่าคุณสามารถทำให้ระบบทำงานตามที่คุณต้องการในวิธีที่ควบคุมได้มากขึ้น แต่ปรากฏการณ์วิทยาที่คุณทำได้นั้นไม่ใช่ มันรวยมาก และเรายังคงค้นพบสิ่งใหม่ อย่างที่เราพูด” พงษ์กล่าว

และเนื่องจากระบบแบบชั้นเดียวเหล่านี้ใช้งานได้ง่ายกว่า ความเข้าใจเชิงทฤษฎีที่เพิ่มขึ้นนี้มีศักยภาพที่จะช่วยในการค้นพบในอนาคตในด้านฟิสิกส์ของเอดจ์สเตท ซึ่งรวมถึงอุปกรณ์ใหม่ที่เป็นไปได้ เช่น วัสดุควอนตัมที่มีขนาดเล็กพิเศษและรวดเร็วอย่างเหลือเชื่อ

Mele กล่าวว่า “ขณะนี้มีความพยายามอย่างมากในการทำความเข้าใจสาร bilayers ของ graphene ที่บิดเบี้ยวเหล่านี้ และฉันคิดว่าคำถามที่น่าสนใจที่เรากำลังไขว่คว้าคือส่วนประกอบสำคัญของระบบทางกายภาพที่สามารถทำเช่นนั้นได้” Mele กล่าว “เรากำลังสร้างโครงสร้างประดิษฐ์ที่คุณไม่สามารถสร้างจากบนลงล่างด้วยขนาดความยาวที่น่าสนใจ ใหญ่กว่าอะตอม เล็กกว่าที่คุณสามารถทำได้โดยการพิมพ์หิน และถ้าคุณควบคุมมันได้ มีหลายสิ่งที่คุณ ทำได้.”


เหลือบภายในแซนวิช graphene


ข้อมูลมากกว่านี้:
Võ Tiến Phong et al, โหมดขอบเขตจากสนามแม่เหล็กและสนามแม่เหล็กเทียมในกราฟีน, จดหมายทบทวนทางกายภาพ (2022). ดอย: 10.1103/PhysRevLett.128.176406

ให้บริการโดยมหาวิทยาลัยเพนซิลเวเนีย

การอ้างอิง: วิธีการที่ง่ายกว่าสำหรับการสร้างวัสดุควอนตัม (2022, 4 พฤษภาคม) ดึงข้อมูล 4 พฤษภาคม 2022 จาก https://phys.org/news/2022-05-simpler-approach-quantum-materials.html

เอกสารนี้อยู่ภายใต้ลิขสิทธิ์ นอกเหนือจากข้อตกลงที่เป็นธรรมเพื่อการศึกษาหรือการวิจัยส่วนตัวแล้ว ห้ามทำซ้ำส่วนหนึ่งส่วนใดโดยไม่ได้รับอนุญาตเป็นลายลักษณ์อักษร เนื้อหานี้จัดทำขึ้นเพื่อวัตถุประสงค์ในการให้ข้อมูลเท่านั้น

(Visited 1 times, 1 visits today)

Be the first to comment

Leave a comment

Your email address will not be published.


*