ביצוע של אמן לכביש מהיר שהתגלה לאחרונה לאלקטרונים שיכול להתרחש בגרפן מעוין. "מצאנו מכרה זהב, וכל סקופ מגלה משהו חדש", אומר עוזר פרופסור לונג ג'ו ב-MIT. קרדיט: Sampson Wilcox/מעבדת המחקר לאלקטרוניקה
MIT פיזיקאים פיתחו צורה חדשה של גרפןיצירת אוטוסטרדה אלקטרונית בעלת חמישה נתיבים המאפשרת תנועת אלקטרונים יעילה במיוחד ללא אובדן אנרגיה.
פריצת דרך זו בגרפן מחומש-שכבתי רומבוהדרלית יכולה להפוך מכשירים אלקטרוניים בעלי הספק נמוך ופועלת באמצעות אפקט הול הקוונטי החריג באפס שדה מגנטי.
פיזיקאים של MIT ושותפי הפעולה שלהם יצרו כביש מהיר בן חמישה נתיבים עבור אלקטרונים שיכול לאפשר אלקטרוניקה יעילה במיוחד ועוד.
העבודה, שדווחה לאחרונה בכתב העת מַדָעהיא אחת מכמה תגליות חשובות של אותו צוות בשנה האחרונה, הכוללת חומר שהוא צורה ייחודית של גרפן.
"לגילוי הזה יש השלכות ישירות על מכשירים אלקטרוניים בעלי הספק נמוך מכיוון שלא אובדת אנרגיה במהלך התפשטות אלקטרונים, מה שלא קורה בחומרים רגילים שבהם האלקטרונים מפוזרים", אומר לונג ג'ו, עוזר פרופסור במחלקה לפיזיקה והמחבר המקביל של ה מַדָע עיתון.
התופעה דומה למכוניות הנוסעות בכביש מהיר פתוח, בניגוד לאלו הנעות בשכונות. ניתן לעצור או להאט את המכוניות השכונתיות על ידי נהגים אחרים שעושים עצירות פתאומיות או פניות פרסה שמשבשות נסיעה חלקה אחרת.
חומר חדש: גרפן רומבוהדרלי
החומר שמאחורי העבודה הזו, המכונה גרפן מחומש-שכבתי rhombohedral, התגלה לפני שנתיים על ידי פיזיקאים בראשות Ju. "מצאנו מכרה זהב, וכל סקופ חושף משהו חדש", אומר ג'ו, המזוהה גם עם מעבדת מחקר החומרים של MIT.
ב טבע ננוטכנולוגיה במאמר באוקטובר האחרון, Ju ועמיתיו דיווחו על גילוי של שלושה מאפיינים חשובים הנובעים מגרפן מעוין. לדוגמה, הם הראו שזה יכול להיות טופולוגי, או לאפשר תנועה ללא הפרעה של אלקטרונים מסביב לקצה החומר אך לא דרך האמצע. זה הביא לכביש מהיר, אבל הצריך יישום של שדה מגנטי גדול חזק פי כמה עשרות אלפי מהשדה המגנטי של כדור הארץ.
שישה מהפיזיקאים של MIT שיצרו כביש מהיר בן חמישה נתיבים עבור אלקטרונים הם (משמאל לימין) סטודנטים לתארים מתקדמים Jixiang Yang, Junseok Seo, ו-Tonghang Han; סטודנט מבקר יוקסואן יאו לתואר ראשון; עוזר פרופסור לונג ג'ו; ופוסט דוקטורט Zhengguang Lu. קרדיט: Shenyong Ye
שיפור ערוצי האלקטרונים של גרפן
בעבודה הנוכחית, הצוות מדווח על יצירת הכביש המהיר ללא כל שדה מגנטי.
טונגהאנג האן, סטודנט לתואר שני ב-MIT בפיזיקה, הוא שותף לכותב הראשון של המאמר. "אנחנו לא הראשונים שגילו את התופעה הכללית הזו, אבל עשינו זאת במערכת שונה מאוד. ובהשוואה למערכות קודמות, שלנו פשוטה יותר וגם תומכת ביותר ערוצי אלקטרונים". מסביר ג'ו, "חומרים אחרים יכולים לתמוך רק בנתיב תנועה אחד בקצה החומר. פתאום העלינו את זה לחמש".
מחברים ראשונים נוספים של המאמר שתרמו באותה מידה לעבודה הם Zhengguang Lu ו- Yuxuan Yao. לו הוא פוסט דוקטורט במעבדה לחקר חומרים. יאו ניהל את העבודה כסטודנט אורח לתואר ראשון מאוניברסיטת Tsinghua. מחברים אחרים הם פרופסור לפיזיקה ב-MIT, ליאנג פו; Jixiang Yang ו-Junseok Seo, שניהם סטודנטים לתואר שני ב-MIT בפיזיקה; Chiho Yoon ו-Fan Zhang מאוניברסיטת טקסס בדאלאס; וקנג'י וואטנבה וטקאשי טניגוצ'י מהמכון הלאומי למדעי החומרים ביפן.
איך זה עובד
הגרפיט, המרכיב העיקרי של עופרת עיפרון, מורכב משכבות רבות של גרפן, שכבה אחת של אטומי פחמן המסודרים במשושים הדומים למבנה של חלת דבש. גרפן רומבוהדרלי מורכב מחמש שכבות של גרפן מוערמות בסדר חופף ספציפי.
Ju ועמיתיו בודדו גרפן רומבוהדרלי הודות למיקרוסקופ חדשני Ju שנבנה ב-MIT בשנת 2021 שיכול לקבוע במהירות ובזול יחסית מגוון מאפיינים חשובים של חומר ב- בקנה מידה ננו. עובי של גרפן מוערם מחומש-שכבתי הוא רק כמה מיליארדיות המטר.
בעבודה הנוכחית, הצוות התעסק עם המערכת המקורית, והוסיף שכבה של טונגסטן דיסולפיד (WS2). "האינטראקציה בין ה-WS2 והגרפן המעוין המחומש הביא לכביש מהיר בעל חמישה נתיבים שפועל באפס שדה מגנטי", אומר ג'ו.
השוואה למוליכות-על
התופעה שקבוצת Ju גילתה בגרפן רומבוהדרלית המאפשרת לאלקטרונים לנוע ללא התנגדות בשדה מגנטי אפס, ידועה כאפקט הול הקוונטי. רוב האנשים מכירים יותר מוליכות-על, תופעה אחרת לגמרי שעושה את אותו הדבר אבל מתרחשת בחומרים שונים מאוד.
Ju מציין שלמרות שמוליכי-על התגלו בשנות ה-19, נדרשו כ-100 שנות מחקר כדי לשדל את המערכת לעבוד בטמפרטורות גבוהות יותר הדרושות ליישומים. "ושיא העולם עדיין הרבה מתחת לטמפרטורת החדר", הוא מציין.
באופן דומה, אוטוסטרדת הגרפן המעוינת פועלת כיום בערך 2 קלווין, או -456 מעלות פרנהייט. "יידרש מאמץ רב כדי להעלות את הטמפרטורה, אבל בתור פיזיקאים, התפקיד שלנו הוא לספק את התובנה; דרך אחרת לממש זאת (תופעה)", אומר ג'ו.
השלכות וצפי עתידי
התגליות הקשורות לגרפן רומבוהדרלי הגיעו כתוצאה ממחקר קפדני שלא הובטח שיעבוד. "ניסינו מתכונים רבים במשך חודשים רבים", אומר האן, "אז זה היה מאוד מרגש כשקיררנו את המערכת לטמפרטורה נמוכה מאוד ו(כביש מהיר בעל חמישה נתיבים הפועל באפס שדה מגנטי) פשוט צץ החוצה".
אומר ג'ו, "זה מאוד מרגש להיות הראשון לגלות תופעה במערכת חדשה, במיוחד בחומר שחשפנו".
עבודה זו נתמכה על ידי מלגת סלואן; הקרן הלאומית למדע בארה"ב; משרד תת שר ההגנה למחקר והנדסה בארה"ב; החברה היפנית לקידום המדע KAKENHI; ויוזמת המחקר הבינלאומית המובילה בעולם של יפן.
