تویسترونیک: چگونه پیچش، خواص مواد دو بعدی را تغییر می دهد

تصویر: الکترونیک پیچ خورده
 
توانایی تنظیم خواص یک ماده لایه‌ای با تغییر زاویه پیچ خوردگی، این امکان را برای یک ماده منفرد فراهم می‌کند تا به جای استفاده از تعداد زیادی مواد زیاد برای عملکردهای مختلف، آن ماده عملکردهای مختلفی را انجام دهد.
 
قابلیت تنظیم خواص یک ماده همیشه در هسته تحقیق و توسعه مواد بوده است و دانشمندان در حال بررسی گزینه‌هایی برای یافتن راه‌هایی برای تنظیم خواص به سطوح مورد نظر، از جمله با دوپینگ، کشش، فشرده‌سازی و در حال حاضر پیچی دادن هستند.

پیچش لایه های تک اتمی گرافن و سایر مواد قبلاً خواص جالبی را در گذشته نشان داده است. به عنوان مثال، در این حال الکترون‌ها دیگر از یک اتم به اتم دیگر نمی‌پرند، بلکه تمایل دارند روی سطح ورق جریان پیدا کنند که پلاسمونیک نامیده می‌شود. .
پلاسمونیک به طرق مختلف مورد توجه قرار می گیرد. یکی از این موارد مقاومت بسیار کم در جریان الکترون ها و برهمکنش در محدوده ترا هرتز (اپتوالکترونیک) است. محققان همیشه به دنبال ویژگی‌های نوظهور هستند در هنگامی که دو لایه گرافن و مواد دیگر، هر یک به ضخامت یک اتم، در زوایای مختلف روی هم قرار گیرند.
 
در این راستا، تویسترونیک (twistronics) مطالعه این است که چگونه زاویه (پیچش) بین لایه‌های مواد دو بعدی می‌تواند خواص الکتریکی، نوری و مکانیکی آنها را تغییر دهد. موادی مانند گرافن نشان داده اند که بسته به زاویه بین لایه ها، خواص الکتریکی بسیار متفاوتی دارند (از نارسانایی گرفته تا ابررسانایی).
 
با زاویه جادویی پیچش، دانشمندان شواهدی از نوع جدیدی از رفتار اپتیکی کوانتومی در پشته‌های مشابه با قابلیت تنظیم پیچشی از انواع دیگر مواد دو بعدی گزارش کرده‌اند. معلوم می شود که اثرات ماره یا موآر (مویر) می تواند تا حدودی توسط یک الگوی ناقص موآر پوشیده بماند، که منجر به انتشار نوری مشابه نقص‌ها، و توان تحریک لیزر اضافی خواهد شد، که پس زمینه وسیعی را فراهم خواهد کرد. (نقش (طرح) ماره (مویر) بر اثر همپوشانی دو توری با طرح‌های ریز ایجاد می‌شود به‌طور کلی ماره یک شکل ترکیبی از خطوط سایه روشن است که در نتیجه برهم‌نهی دو توری (توری:مجموعه‌ای از خطوط عموماً موازی) تشکیل شده ‌است.

در واقع این یک پدیده تداخل فضایی بین دو توری است. از این پدیده می‌توان برای تحلیل تغییر شکل یک جسم استفاده کرد. همچنین به ما اجازه می‌دهد، پدیده‌هایی چون تبدیل تصاویر به حالت دیجیتال (منظور تصاویری که تعداد زیادی نقطه دارد)، یا جلوه عجیبی که یک پیراهن راه‌ راه در تلویزیون ایجاد می‌کند را توصیف کنیم.)
 

علم و مهندسی موجود در پشت تویسترونیک

دستیابی به انواع خواص الکترونیکی در مواد معمولی معمولاً مستلزم تغییر ترکیب شیمیایی آنها با تکنیک دوپینگ است. محققان در زمان‌های اخیر دریافته‌اند که جفت سازی ضعیف بین لایه‌های مختلف مواد دو بعدی می‌تواند برای کنترل این مواد به روش‌هایی استفاده شود که با ساختارهای معمولی‌تر امکان‌پذیر نبوده است.
 
یک مثال منحصر به فرد در این راستا، توانایی تنظیم ویژگی های الکترونیکی گرافن لایه دو بعدی با تغییر زاویه بین لایه ها با چرخش است. بنابراین، توانایی تغییر خواص الکترونیکی یک ماده دو بعدی فقط با تغییر زاویه پیچش بین لایه‌های آن، یک جهت اساسی جدید در مهندسی دستگاه است.
 
تاکنون، محققان برای هر زاویه پیچش متفاوت نیاز به ساختن یک دستگاه کاملاً جدید داشتند که اغلب درگیر ساخت تعداد زیادی دستگاه می‌شد. این امر همچنین حل و فصل اثرات وابسته به زاویه را به طور مستقل از تغییرات نمونه به نمونه دشوار می کرد. بسیاری از ویژگی های جالب وابسته به زاویه (مانند ابررسانایی در گرافن دولایه پیچ خورده) را فقط می توان در محدوده بسیار باریکی از زاویه هدف مشاهده کرد.
 
اکنون محققان موفق به ساخت یک دستگاه واحد شده‌اند که لایه‌های آن می‌تواند به طور مداوم به صورت موضعی بچرخد در حالی که ویژگی‌های فیزیکی و الکترونیکی آن را اندازه‌گیری می کنند. این پلتفرم جدید امکان جابجایی بین تعداد دلخواه حالت های مکمل در دستگاه را می دهد.
 
محققان دانشگاه کلمبیا، ایالات متحده، ساختار دستگاه جدیدی را توسعه داده‌اند تا امکان تغییر زاویه پیچش بین لایه‌های مواد دو بعدی و بررسی چگونگی تأثیر این زاویه بر خواص الکترونیکی، نوری و مکانیکی مواد را فراهم نماید.
 
اندازه‌گیری‌های انجام‌ شده بر روی یک ساختار منفرد توأم با پیچ‌خوردگی به جای چندین سازه - همانطور که قبلاً این چنین بود - می‌تواند زمینه نوظهور تویسترونیک را به‌عنوان یک رویکرد اساسی جدید در مهندسی دستگاه ارتقا دهد.
 
به عنوان مثال، گرافن، یک ورقه دوبعدی از اتم‌های کربن، به طور معمول دارای شکاف نواری نیست، اما زمانی که در تماس با ماده دو بعدی دیگر، بور-نیترید، با ساختار شش ضلعی قرار می‌گیرد، شکاف نواری ایجاد می‌کند. هر دوی این مواد دارای ثابت‌های شبکه‌ای مشابه هستند و لایه‌های گرافن و نیترید بور یک ابرشبکه بزرگ موآر را تشکیل می‌دهند . سپس با چرخاندن لایه ها به گونه ای که ناهم تراز شوند و زاویه بین آنها زیاد شود، شکاف نواری از بین می رود. بنابراین، صرفاً تغییر زاویه بین لایه‌های مواد دو بعدی به این معنی است که گرافن را می‌توان از فلز به نیمه‌رسانا تنظیم کرد.
   
تصویر: ابرشبکه گرافن زاویه جادویی; مقیاس = 10 نانومتر
 
محققان مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT)، ایالات متحده آمریکا، اخیراً کشف کرده‌اند که قرار دادن دو لایه گرافن در کنار هم، هنگامی که نسبت به یکدیگر در زاویه جادویی 1.1 بچرخند، ماده معمولی فلزی را به یک ابررسانا تبدیل می‌کند.
 

مبانی تکنیک

این تکنیک از اصطکاک سطحی کم که به طور طبیعی بین مواد لایه‌ای دوبعدی وجود دارد و همچنین عدم وجود اتصال شیمیایی قوی بین لایه‌ها استفاده می‌کند تا آنها به راحتی روی یکدیگر بلغزند. در فرآیند ساخت، محققان ساختارهای ناهمگن گرافن /بور-نیترید را مطالعه کردند و دستگاهی را به شکل چرخ دنده ای طراحی کردند که عمداً طوری ساخته شده بود که قابل چرخش باشد. از تکنیک‌های توسعه‌یافته قبلی برای برداشتن مکانیکی این چرخ‌دنده در اندازه نانو (ساخته شده از بور-نیترید) و قرار دادن آن در بالای ناحیه فعال ( گرافن ) استفاده شد.
 
هنگامی که در جای خود قرار گرفتند، آنها از یک میکروسکوپ نیروی اتمی برای فشار دادن یک دندانه چرخ دنده استفاده کردند که باعث چرخش آن شد. این نشان می‌دهد که می‌توانیم چرخش را در ساختارهای ناهمگن گرافن /بور-نیترید به دست آوریم و آن را کنترل کنیم، و می‌توانیم به صورت دینامیکی خواص الکتریکی، نوری و حتی مکانیکی دستگاه ساخته شده از این ساختارها را تغییر دهیم. بنابراین، نشان داده می‌شود که شکاف انرژی مشاهده‌شده در گرافن قابل تنظیم است و می‌توان آن را طبق نیاز فقط با تغییر زاویه پیچش بین لایه‌ها روشن یا خاموش کرد. مطالعات طیف‌سنجی بیشتر گرافن دولایه پیچ خورده، همبستگی‌های قوی الکترون-الکترون را در زاویه جادویی نشان داده است.
 
قبلاً فهمیده شده بود که گرافن می‌تواند الکتریسیته را با سرعت بسیار بالا هدایت کند، اما محققان با تبدیل گرافن به یک ابررسانا - ماده‌ای که به الکتریسیته اجازه می‌دهد بدون مقاومت جریان داشته باشد- جهشی بزرگ انجام دادند. این کار با قرار دادن یک ورقه گرافن بر روی دیگری و چرخاندن ورق دیگر در جهت خاص یا زاویه جادویی و خنک کردن مجموعه تا دمای 1.7 درجه کلوین به دست آمد. پیچش به طور اساسی ویژگی های لایه دوگانه را تغییر داد - ابتدا آن را به یک عایق و سپس با اعمال یک میدان الکتریکی قوی تر به یک ابررسانا تبدیل کرد.
 

نقش زاویه جادویی در تویسترونیک

تحقیقات ثابت کرده است که زوایای جادویی واقعی هستند. فیزیکدانان در تلاشند تا رویکرد تویسترونیک را در پیکربندی های دیگر گرافن به کار ببرند. محققان با پیچاندن دو لایه گرافن آزمایش کرده اند و شواهدی از ابررسانایی و فیزیک همبسته یافته اند. برخی دیگر سه یا چند لایه گرافن را به امید دستیابی به ابررسانایی در سایر زوایای جادویی یا شاید حتی زمانی که آنها در یک راستا قرار دارند، روی هم می‌چینند. فیزیکدانان اشاره می کنند که انباشته شدن لایه های بالاتر ممکن است منجر به بالا رفتن دمای ابررسانایی شود.
 
زوایای جادویی دیگر نیز ممکن است نقش داشته باشند. برخی از گروه‌ها صفحات گرافن را محکم‌تر به هم می‌فشارند تا زاویه جادویی را افزایش دهند و دستیابی به آن را آسان‌تر کنند، و مواد دیگر نیز وارد چین‌ تویسترونیک می‌شوند .
 
نیمه هادی ها و فلزات انتقالی را می توان در لایه های پیچ داده رسوب داد و آنها به عنوان کاندیدای خوبی برای فیزیک همبسته دیده می شوند - شاید بهتر از گرافن دولایه پیچ خورده.
 
محققان به صدها ماده فکر می کنند که می توان آنها را به این روش دستکاری کرد، به این امید که اثرات همبسته را در دستگاه های گرافن دولایه پیچ خورده با زاویه جادویی، با صاف کردن واقعی چین و چروک های ساخت آنها، افزایش دهند.
 
از آنجا که هیچ پیوند شیمیایی بین دو لایه وجود ندارد، و از آنجا که لایه‌های کمی منحرف سعی می‌کنند در یک راستا قرار گیرند، مجبور کردن آنها برای نگه داشتن پیچش زاویه جادویی، تنش‌هایی ایجاد می‌کند که منجر به تپه‌ها، دره‌ها و خم‌های زیر میکروسکوپی می‌شود. این اعوجاج های موضعی به این معنی است که برخی از مناطق دستگاه ممکن است در محدوده جادویی زوایای پیچش قرار داشته باشند، در حالی که مناطق دیگر اینگونه نباشند.
 

توسعه به سمت تویسترونیک

نتو، فیزیکدان دانشگاه ملی سنگاپور این فرضیه را مطرح کرد که فشار دادن دو ورقه گرافن نامرتب روی هم ممکن است خواص الکتریکی جدیدی به همراه داشته باشد، و به طور جداگانه پیشنهاد کرد که گرافن ممکن است راهی برای ابررسانایی ارائه دهد، اما او این دو ایده را با هم ترکیب نکرد.
 
اساس نظری تویسترونیک توسط آلن مک‌دونالد در سال 2011 با پیش‌بینی اینکه یک زاویه جادویی خاص، مقدار انرژی مورد نیاز یک الکترون آزاد برای تونل زدن بین دو صفحه گرافن را به شدت تغییر می‌دهد، توسعه یافت . این فرضیه توسط Pablo Jarillo-Herrero و شاگردش Yuan Cao از MIT و همکارانش از هاروارد و مؤسسه ملی علوم مواد در Tsukuba، ژاپن تأیید شد. آنها در سال 2018 تأیید کردند که ابررسانایی در گرافن دولایه وجود دارد که در آن یک لایه با زاویه 1.1 نسبت به دیگری می چرخد و یک الگوی موآر را در دمای 1.7درجه کلوینتشکیل می دهد.
 
آنها دو دستگاه دولایه ساختند که به جای رسانایی تحت میدان مغناطیسی به عنوان عایق عمل می کردند. افزایش قدرت میدان، دستگاه دوم را به یک ابررسانا تبدیل کرد. از آنجایی که تنها متغیر، قدرت میدان است، مطالعه ابررسانایی در گرافن دولایه سریع‌تر و راحت‌تر از کار با کریستال‌های کاپرات چند عنصری است.
 
همچنین آزمایش‌هایی با استفاده از ترکیب لایه‌های گرافن با مواد دیگر انجام شده است که ساختارهای ناهمسانی را به شکل ورقه‌های نازک اتمی تشکیل می‌دهند که توسط نیروی ضعیف واندروالس در کنار هم نگه داشته می‌شوند. مطالعه‌ای در جولای 2019 نشان داد که با افزودن یک شبکه بور-نیترید بین دو ورقه گرافن، اثرات فرومغناطیسی مداری منحصربه‌فردی در زاویه 1.17 ایجاد شد که می‌توان از آن برای پیاده‌سازی حافظه در رایانه‌های کوانتومی استفاده کرد.
 

برنامه‌های کاربردی

تویسترونیک رویکردی به مهندسی دستگاه است که در آن زاویه پیچش بین لایه‌های مواد دو بعدی مانند گرافن بر خواص الکترونیکی، نوری و مکانیکی آنها تأثیر می‌گذارد. کاربردهای آینده آن را می توان به صورت زیر خلاصه کرد:
 
* به توسعه انواع جدیدی از فناوری های سوئیچینگ، به عنوان مثال، حسگرهای قابل تنظیم و دستگاه های الکترومکانیکی و الکترواپتیکال قابل تنظیم کمک خواهد کرد.
 
* اگرچه تک لایه‌های گرافن به خودی خود ابررسانا نیستند، اما ابررسانایی را در دولایه پیچ خورده نشان می‌دهند که ناشی از تعامل بین لایه‌ها است. این منجر به کاربردهای مختلف گرافن ابررسانا می شود.
 
* محققان بر این باورند که ممکن است بتوان اثرات مشابهی مانند نظم دهی مغناطیسی خود به خود و شکاف های باند محافظت شده از نظر توپولوژیکی را با چرخش کنترل شده معرفی کرد، و روشن و خاموش نمود. نتایج با استفاده از کریستال‌های برانگیخته مصنوعی مهندسی شده ساختارهای ناهمسان واندروالس، امکان کاربرد آن‌ها در نانو فوتونیک و اطلاعات کوانتومی را برجسته می‌کند.
 
* این کار دارای اهمیت اساسی است، و یک پلت فرم جذاب برای کاوش و کنترل حالت های برانگیخته ماده، مانند اکسیتون های توپولوژیکی و مدل هابارد اکسایتون همبسته، در دی کالکوژنیدهای فلزات واسطه ارائه می کند.
 

محدوده آینده

پشته های ناتراز از مواد دوبعدی در چرخش، ویژگی های عجیب و غریب متفاوتی از خود نشان می دهند، و تویسترونیک نیرو و علاقه بسیاری از تیم های تحقیقاتی در سراسر جهان را به خود جلب کرده است. در حال گسترش است تا انواع دیگری از مواد فراتر از گرافن را نیز شامل شود. نتیجه به معنای به دست آوردن ابررسانایی در دمای محیط و استفاده از آن در کاربردهای روزمره نیست.
 
این ویژگی در سطح بسیار نانو متریک دیده می شود، اما چیزی که آن را برای فیزیکدانان جالب می کند این است که می تواند مسیری را برای درک ابررسانایی باز کند و این درک ممکن است رویکردهای عملی را به سمت ابررسانایی قابل استفاده در دمای محیط باز کند. توانایی تنظیم خواص یک ماده لایه‌ای با تغییر زاویه پیچش این امکان را برای یک ماده فراهم می‌کند تا به جای استفاده از مواد زیاد برای عملکردهای مختلف، عملکردهای مختلفی را بتوان با آن انجام داد.
 
در حال حاضر، مدارهای الکترونیکی از تعداد محدودی از اجزاء شامل رساناهای فلزی، عایق ها، نیمه هادی ها و مواد مغناطیسی ساخته می شوند و این فرآیند مستلزم ادغام انواع مختلفی از مواد است که چالش های مهندسی قابل توجهی را ایجاد می کند. اما مواد منفرد که تغییر خواص را با پیچش نشان می دهند می توانند برای تحقق هر یک از این اجزا استفاده شوند و فرصت های مهندسی جدید قابل توجهی را فراهم کنند.
 

منبع:
دکتر اس اس ورما، مؤسسه مهندسی و فناوری Longowal، Sangrur، پنجاب