براساس یک مطالعه جدید پیش بینی می‌شود که محققان می‌توانند با استفاده از پالسهای مارپیچی نور ماهیت گرافن را تغییر دهند. آنرا از فلز به یک عایق تبدیل کنند و به آن خواص ویژه دیگری بدهند که می تواند در کدگذاری اطلاعات کاربرد داشته باشد.
نتایج منتشر شده در نشریه Nature Communication در تاریخ ۱۱ می، راه‌گشایی است جهت آزمایشاتی که از این فرم به خصوص نور به منظور ایجاد و کنترل حالت های منطقی جدیدی که می توانند در محاسبات کامپیوتری و دیگر حوزه ها به کار روند، استفاده می‌کنند.
توماس دورو[۲]،پروفسور دپارتمان انرژی آزمایشگاه شتاب دهنده ملی SLAC و سرپرست انستیتو علوم مواد و انرژی استنفورد (SIMS)، انستیتو مشترک SLAC / Stanford در این باره می گوید: “مثل این است که تکه ای از خاک رس را برداشته آن را به طلا تبدیل کنیم و هنگامیکه پالس لیزر قطع شود طلا به خاک رس بر گردد.”.
وی می افزاید، ” ولی در این مورد، شبیه سازی های ما نشان می دهند که ما می توانیم خصوصیات الکترونیکی گرافن را تغییر دهیم، آن را به سرعت از حالت فلزی، که در آن الکترونها آزادانه جاری می‌شوند، به حالت عایق برگردانیم و بلعکس. این، در اصطلاح دیجیتال، تغییر حالت بین صفر و یک، خاموش و روشن و بلی یا خیر است؛ که می تواند به منظور کد گذاری اطلاعات در یک حافظه کامپیوتر استفاده شود. آنجه این مسأله را دلچسب و جالب توجه می‌سازد این است که شما می‌توانید سوییچ های الکلترونیکی را به جای استفاده از الکترونها، با استفاده از نور بسازید.”
دورو این تحقیق را به همراه میشل سنتف[۳]، کسی که کار را به عنوان محقق پست دکتری در SLAC شروع کرد و اکنون در انستیتو ساختار و دینامیک مواد مکس پلانک کار می‌کند، پیش برد.
دگرگون کردن یک ماده شگفت انگیز
گرافن فرم خالصی از کربن است که فقط به اندازه یک اتم ضخامت دارد و اتمهای آن تحت یک الگوی لانه زنبوری آرایش یافته اند. از زمان کشفش، ۱۲ سال پیش، به عنوان ماده ای شگفت انگیز مشهور شد. ماده ای انعطاف پذیر، تقریباً شفاف، هادی فوق العاده گرما و الکتریسیته و یکی از سخت ترین موادی است که تا کنون شناخته شده است. ولی با وجود تلاشهای بسیار، دانشمندان راهی برای تبدیل آن به ماده ای نیمه‌هادی پیدا نکرده‌اند.
قبل از این، طی مطالعه ای نشان داده شد که ممکن است بتوان به وسیله گرم کردن یک ماده توسط نور با قطبش چرخنده[۴]، نوری که به صورت مارپیچ ساعتگرد یا پادساعتگرد طی مسیر می‌کند، کیفیتی که به صورت راست دستی یا چپ دستی نیز می‌توان بیان کرد، قدمی در این راه برداشت. به این ترتیب می‌توان یک گاف باند[۵] ایجاد کرد، محدوده ای از انرژی که الکترون قادر به اشغال کردن آن نیست، مفهومی که یکی از نشانه‌های عناصر نیمه هادی است.
محققان در مطالعه SIMES با استفاده از مرکز محاسبات علمی مرکز ملی تحقیقات انرژی DOE واقع در لابراتور ملی لارنس برکلی، آزمایشی را در مقیاس بزرگ شبیه سازی کردند که در آن گرافن توسط پالسهای لیزر با قطبش چرخنده و زمان تأثیر چند میلیونیم میلیاردیم ثانیه گرم می‌شد.
نزدیک شدن به واقعیت تا حد امکان
مارتین کلاسن، دانشجوی فوق لیسانس استنفورد که درگروه دورو همکاری‌های کلیدی با این تحقیق داشته، می گوید:”مطالعات پیشین بر پایه محاسبات تحلیلی و در شرایط ایده ال انجام شده بود اما در این مطالعه سعی شد تا آنچه را که اتفاق می افتد، در شرایطی نزدیک به شرایط قابل حصول در آزمایش واقعی، حتی در مورد شکل پالسهای لیزر، شبیه سازی کند. با انجام چنین شبیه سازی‌هایی می توان گفت چه نوع آزمایشاتی عملی هستند و نواحی متمایزی که می‌شود بیشترین تغییرات مورد نظر را در آن آزمایش‌ها دید، شناسایی کرد.”
به گفته هیأت علمی SLAC و همکار نویسنده این مطالعه، برایان موریتز، “شبیه سازی‌ها نشان می دهند که راست یا چپ دستی نور لیزر با راست یا چپ دستی ناچیز گرافن درهم‌کنشی ایجاد می‌کند که به طور کلی هم‌ریخت نیست. این در هم کنش منجر به ایجاد خصوصیات جالب توجه و غیر منتظره ای می شود که نه تنها یک گاف باند ایجاد می‌کند بلکه گرافن را در یک حالت کوانتومی نیز قرار می دهد به طوری که ، اصطلاحاً یک Chern Number را، هم در حالت صفر و هم در حالت یک، به گرافن تخصیص می دهد. این امر منتج از پدیده ای به نام berry Curvature است و یک حالت متفاوتی از خاموش/ روشن را ارایه می کند که می‌تواند توسط دانشمندان مورد استفاده قرار گیرد.”
بینش های فراتر از گرافن
در حالیکه این تحقیق به طور مستقیم راهی جهت ساخت قطعات الکترونیکی باز نمی کند ولی با دادن بینش‌هایی بنیادین به محققان سبب پیشرفت علم در این راستا می شود. همچنین، نتایج به دست آمده با موادی به نام “دایکالکوجینایدها[۶]“، که آن‌ها نیز ورقه‌هایی دو بعدی از اتمهای آرایش یافته در ساختار لانه زنبوری هستند، نیز مرتبط است.
دایکالکوجینایدها به دلیل داشتن قابلیت ساخت ادوات “ولیترونیک‌ها[۷]” مرکز توجه تحقیقات در SIMES و دنیا هستند. در مواد ولیترونیک، الکترونها از درون یک نیمه هادی دو بعدی همانند یک موج با دو قله انرژی عبور می کنند که این خاصیت می‌تواند جهت کدگذاری اطلاعات مورد استفاده قرار گیرد. کاربردهای ممکن شامل حسگرهای نوری، تراشه های توان پایین منطقی کامپیوتری و ذخیره ساز اطلاعات و کامپیوترهای کوانتومی هستند. در کنار کار بر روی گرافن، اعضای تیم تحقیق، آزمایشاتی را نیز شبیه سازی کرده اند که شامل در هم کنش نور با دایکالکوجینایدها هستند.
به گفته موریتز، ” سرانجام ما سعی می‌کنیم درک کنیم که چگونه در هم کنش با نور می‌توانند سبب دگرگونی صفات و خصوصیات یک ماده شود تا چیزی بسازیم که هم جدید و هم از نقطه نظر تکنولوژیکی جالب توجه باشد.”
نتایج منتشر شده در نشریه Nature Communication در تاریخ ۱۱ می، راه‌گشایی است جهت آزمایشاتی که از این فرم به خصوص نور به منظور ایجاد و کنترل حالت های منطقی جدیدی که می توانند در محاسبات کامپیوتری و دیگر حوزه ها به کار روند، استفاده می‌کنند.
توماس دورو[۲]،پروفسور دپارتمان انرژی آزمایشگاه شتاب دهنده ملی SLAC و سرپرست انستیتو علوم مواد و انرژی استنفورد (SIMS)، انستیتو مشترک SLAC / Stanford در این باره می گوید: “مثل این است که تکه ای از خاک رس را برداشته آن را به طلا تبدیل کنیم و هنگامیکه پالس لیزر قطع شود طلا به خاک رس بر گردد.”.
وی می افزاید، ” ولی در این مورد، شبیه سازی های ما نشان می دهند که ما می توانیم خصوصیات الکترونیکی گرافن را تغییر دهیم، آن را به سرعت از حالت فلزی، که در آن الکترونها آزادانه جاری می‌شوند، به حالت عایق برگردانیم و بلعکس. این، در اصطلاح دیجیتال، تغییر حالت بین صفر و یک، خاموش و روشن و بلی یا خیر است؛ که می تواند به منظور کد گذاری اطلاعات در یک حافظه کامپیوتر استفاده شود. آنجه این مسأله را دلچسب و جالب توجه می‌سازد این است که شما می‌توانید سوییچ های الکلترونیکی را به جای استفاده از الکترونها، با استفاده از نور بسازید.”
دورو این تحقیق را به همراه میشل سنتف[۳]، کسی که کار را به عنوان محقق پست دکتری در SLAC شروع کرد و اکنون در انستیتو ساختار و دینامیک مواد مکس پلانک کار می‌کند، پیش برد.
دگرگون کردن یک ماده شگفت انگیز
گرافن فرم خالصی از کربن است که فقط به اندازه یک اتم ضخامت دارد و اتمهای آن تحت یک الگوی لانه زنبوری آرایش یافته اند. از زمان کشفش، ۱۲ سال پیش، به عنوان ماده ای شگفت انگیز مشهور شد. ماده ای انعطاف پذیر، تقریباً شفاف، هادی فوق العاده گرما و الکتریسیته و یکی از سخت ترین موادی است که تا کنون شناخته شده است. ولی با وجود تلاشهای بسیار، دانشمندان راهی برای تبدیل آن به ماده ای نیمه‌هادی پیدا نکرده‌اند.
قبل از این، طی مطالعه ای نشان داده شد که ممکن است بتوان به وسیله گرم کردن یک ماده توسط نور با قطبش چرخنده[۴]، نوری که به صورت مارپیچ ساعتگرد یا پادساعتگرد طی مسیر می‌کند، کیفیتی که به صورت راست دستی یا چپ دستی نیز می‌توان بیان کرد، قدمی در این راه برداشت. به این ترتیب می‌توان یک گاف باند[۵] ایجاد کرد، محدوده ای از انرژی که الکترون قادر به اشغال کردن آن نیست، مفهومی که یکی از نشانه‌های عناصر نیمه هادی است.
محققان در مطالعه SIMES با استفاده از مرکز محاسبات علمی مرکز ملی تحقیقات انرژی DOE واقع در لابراتور ملی لارنس برکلی، آزمایشی را در مقیاس بزرگ شبیه سازی کردند که در آن گرافن توسط پالسهای لیزر با قطبش چرخنده و زمان تأثیر چند میلیونیم میلیاردیم ثانیه گرم می‌شد.
نزدیک شدن به واقعیت تا حد امکان
مارتین کلاسن، دانشجوی فوق لیسانس استنفورد که درگروه دورو همکاری‌های کلیدی با این تحقیق داشته، می گوید:”مطالعات پیشین بر پایه محاسبات تحلیلی و در شرایط ایده ال انجام شده بود اما در این مطالعه سعی شد تا آنچه را که اتفاق می افتد، در شرایطی نزدیک به شرایط قابل حصول در آزمایش واقعی، حتی در مورد شکل پالسهای لیزر، شبیه سازی کند. با انجام چنین شبیه سازی‌هایی می توان گفت چه نوع آزمایشاتی عملی هستند و نواحی متمایزی که می‌شود بیشترین تغییرات مورد نظر را در آن آزمایش‌ها دید، شناسایی کرد.”
به گفته هیأت علمی SLAC و همکار نویسنده این مطالعه، برایان موریتز، “شبیه سازی‌ها نشان می دهند که راست یا چپ دستی نور لیزر با راست یا چپ دستی ناچیز گرافن درهم‌کنشی ایجاد می‌کند که به طور کلی هم‌ریخت نیست. این در هم کنش منجر به ایجاد خصوصیات جالب توجه و غیر منتظره ای می شود که نه تنها یک گاف باند ایجاد می‌کند بلکه گرافن را در یک حالت کوانتومی نیز قرار می دهد به طوری که ، اصطلاحاً یک Chern Number را، هم در حالت صفر و هم در حالت یک، به گرافن تخصیص می دهد. این امر منتج از پدیده ای به نام berry Curvature است و یک حالت متفاوتی از خاموش/ روشن را ارایه می کند که می‌تواند توسط دانشمندان مورد استفاده قرار گیرد.”
بینش های فراتر از گرافن
در حالیکه این تحقیق به طور مستقیم راهی جهت ساخت قطعات الکترونیکی باز نمی کند ولی با دادن بینش‌هایی بنیادین به محققان سبب پیشرفت علم در این راستا می شود. همچنین، نتایج به دست آمده با موادی به نام “دایکالکوجینایدها[۶]“، که آن‌ها نیز ورقه‌هایی دو بعدی از اتمهای آرایش یافته در ساختار لانه زنبوری هستند، نیز مرتبط است.
دایکالکوجینایدها به دلیل داشتن قابلیت ساخت ادوات “ولیترونیک‌ها[۷]” مرکز توجه تحقیقات در SIMES و دنیا هستند. در مواد ولیترونیک، الکترونها از درون یک نیمه هادی دو بعدی همانند یک موج با دو قله انرژی عبور می کنند که این خاصیت می‌تواند جهت کدگذاری اطلاعات مورد استفاده قرار گیرد. کاربردهای ممکن شامل حسگرهای نوری، تراشه های توان پایین منطقی کامپیوتری و ذخیره ساز اطلاعات و کامپیوترهای کوانتومی هستند. در کنار کار بر روی گرافن، اعضای تیم تحقیق، آزمایشاتی را نیز شبیه سازی کرده اند که شامل در هم کنش نور با دایکالکوجینایدها هستند.
به گفته موریتز، ” سرانجام ما سعی می‌کنیم درک کنیم که چگونه در هم کنش با نور می‌توانند سبب دگرگونی صفات و خصوصیات یک ماده شود تا چیزی بسازیم که هم جدید و هم از نقطه نظر تکنولوژیکی جالب توجه باشد.”