کشف ساختار مارپیچی تازه در گرافن سه‌لایه، پنجره‌ای نو به دنیای مواد کوانتومی_بام وطن

تیمی از پژوهشگران دانشگاه‌های MIT، پرینستون، آزمایشگاه ملی شتاب‌دهنده SLAC و مؤسسه ملی علوم مواد ژاپن، موفق به تشکیل ماده‌ای دوبعدی و فوق‌نازک با خواص مغناطیسی غیرمعمول شده‌اند. این ماده که از سه لایه گرافن با چیدمان مارپیچی راه اندازی شده است، حرکت الکترون‌ها را در سطح کوانتومی تحول داده و امکان مطالعه اتفاق‌های تازه در فیزیک مواد را فراهم می‌کند.

این تحقیق که تحت هدایت پابلو خاریو-هررو از MIT انجام شده است، مشخص می کند که با چرخش سه لایه گرافن در زاویه‌ای اشکار، ساختاری همانند به مارپیچ DNA تشکیل می‌شود. این ساختار مارپیچی تبدیل راه اندازی الگوهای مویر (moiré) می‌شود که حرکت الکترون‌ها را تحت تأثیر قرار می‌دهد.

سِرخیو دِ لا باررا، یکی از نویسندگان مهم این مطالعه و استادیار دانشگاه تورنتو، توضیح می‌دهد: الگوهای مویر طیف سطوح انرژی در دسترس الکترون‌ها را تحول داده و شرایط را برای ظهور اتفاق‌های دلنشین فراهم می‌کنند.

در این تحقیق، ساختار مارپیچی گرافن سه‌لایه دو الگوی مویر تشکیل می‌کند که با هم ترکیب شده و یک ابرمویر (supermoiré) راه اندازی خواهند داد. لی-کیائو شیا، دانشجوی دکترای فیزیک MIT و یکی دیگر از نویسندگان مهم این مطالعه، می‌گوید: این نتایج همانند یک سلسله‌مراتب مویر است. در حالی که دو الگوی مویر اولیه در مقیاس نانومتری می باشند، ابرمویر در مقیاس صدها نانومتر ظاهر می‌شود.

یکی از یافته‌های شگفت‌انگیز این تحقیق، مشاهده خاصیت مغناطیسی مداری در دمای منفی ۲۶۳ درجه سانتیگراد می بود که بیشترین دمای گزارش‌شده برای مواد مبتنی بر کربن محسوب می‌شود. این خاصیت مغناطیسی به علت حرکت الکترون‌ها تشکیل شده و با ناکامی تقارن در سیستم مرتبط است.

آویرام اوری، پژوهشگر فوق‌دکترای MIT و از نویسندگان مهم این مطالعه، می‌گوید: مشاهده این خاصیت مغناطیسی زیاد گیج‌کننده می بود، چون سیستم ما باید تقارن خاصی می‌داشت که مانع از ابراز این چنین اتفاق‌ای می‌شد. اما در نهایت دریافتیم که اتم‌ها در این سیستم به شکلی ظریف و هماهنگ حرکت می‌کنند که تبدیل ناکامی موضعی تقارن می‌شود.

این کشف نه‌تنها فهمیدن جدیدی از حرکت الکترون‌ها در سیستم‌های پیچیده اراعه می‌دهد، بلکه راه را برای طراحی مواد کوانتومی با خواص منحصر به فرد هموار می‌کند. خاریو-هررو در این باره می‌گوید: این کار نشان‌دهنده تحولی تازه در حوزه «چرخش‌شناسی» (twistronics) است و جامعه علمی مشتاق است تا ببیند چه کشفیات فرد دیگر با منفعت گیری از این بستر مواد مارپیچی مقدور خواهد می بود.

نتایج این مطالعه در نشریه Nature Physics انتشار شده است و می‌تواند عرصه‌ساز تحقیقات آینده در حوزه مواد کوانتومی و فناوری‌های نوین باشد.