هنگامی که نیمه رساناها به یکدیگر می چسبند، مواد کوانتومی می‌شوند

توضیح تصویر: زاویه پیچشی شکل گرفته بین لایه های نازک اتمی دی سولفید تنگستن و دی سلنید تنگستن به عنوان یک دکمه تنظیم عمل می کند و نیمه هادی های معمولی را به یک ماده کوانتومی عجیب تبدیل می کند.
اعتبار: آزمایشگاه برکلی
     

گزارش کامل

یک مطالعه جدید نشان می دهد که چگونه لایه های تراز شده نیمه رساناهای نازک اتمی می‌توانند یک ماده کوانتومی جدید عجیب و غریب را به دست دهند.
 
گروهی از محققان تحت هدایت آزمایشگاه ملی لارنس برکلی (آزمایشگاه برکلی) از وزارت انرژی آمریکا یک روش ساده را که می تواند مواد نیمه هادی معمولی را به دستگاه های کوانتومی تبدیل کند - دستگاه های فوق العاده ای که با رفتارهای الکترونیکی فوق العاده مشخص شده اند - توسعه داده است. چنین پیشرفتی می تواند به تحریک تعدادی از صنایع با هدف استفاده از سیستم های قدرتمند انرژی الکتریکی کمک کند و زمینه ای برای یک فیزیک جدید عجیب و غریب فراهم کند.
 
این مطالعه  که توصیف کننده روشی است که در آن لایه های دو بعدی دی سولفید تنگستن و دی سلنید تنگستن به هم می چسبند تا یک ماده به طور بغرنج طراحی شده را خلق کنند، به تازگی در مجله Nature منتشر شد.
 
فنگ وانگ، فیزیکدان ماده چگال و استاد فیزیک در دانشگاه برکلی، گفت: "این یک کشف شگفت انگیز است، زیرا ما این مواد نیمه هادی را به شدت درهم آمیختیم." "اکنون این کار این نیمه هادی های به ظاهر معمولی را به فضای مواد کوانتومی آورده است."  "این یک کشف شگفت انگیز است، زیرا ما این مواد نیمه هادی را به شدت درهم آمیختیم." "اکنون این کار این نیمه هادی های به ظاهر معمولی را به فضای مواد کوانتومی آورده است."
 

مواد دو بعدی، که فقط به اندازه یک اتم ضخیم هستند، مانند بلوکهای ساختمانی نانوساختار هستند که می توانند به طور دلخواه توده شوند و به شکل دستگاه های کوچک فرم بگیرند. هنگامی که شبکه های دو ماده دو بعدی مشابه و به خوبی هماهنگ است، یک الگوی تکراری می تواند شکل بگیرد به نام سوپر شبکه‌ی مویر.
 
برای دهه گذشته، محققان در حال مطالعه روش هایی برای ترکیب مواد مختلف دو بعدی بوده اند، که اغلب با گرافن شروع می شود - یک ماده شناخته شده برای توانایی‌اش برای هدایتِ کارآمد حرارت و برق. در این زمینه‌ی کاری، محققانِ دیگر کشف کردند که سوپر شبکه های مویر شکل گرفته با گرافن فیزیک عجیب و غریبی را نشان می دهند مانند ابررسانایی هنگامی که لایه ها دقیقاً در زاویه ی درستی قرار بگیرند.
 
مطالعه جدید که به رهبری وانگ انجام شده است، از نمونه های دو بعدی مواد نیمه هادی مانند دی سولفید تنگستن و دی سلنید تنگستن استفاده کرد تا نشان دهد که زاویه پیچش بین لایه ها همچون یک دکمه تنظیم برای تبدیل سیستم نیمه هادی دو بعدی به یک ماده کوانتومی عجیب و غریب با الکترونهای به شدت فعل و انفعالی عمل می کند.
 
ورود به یک قلمرو جدید از فیزیک
نویسندگان همکار Chenhao Jin، یک دانش پژوه پسادکترا مدرسه، و Emma Regan، یک محقق دانشجوی کارشناسی ارشد، که هر دو تحت هدایت وانگ در گروه Ultrafast Nano Optics Group در دانشگاه برکلی کار می کنند، نمونه های تنگستن دی سولفید و تنگستن دی سلنید را با استفاده از یک تکنیک مبتنی بر پلیمر برای جمع آوری و انتقال ورقه های مواد، که هر کدام فقط در حد ده ها میکرون قطر دارند، به یک پشته، تولید کردند.
 
آنها نمونه های مشابهی از مواد را برای مطالعه قبلی ساختند، اما با دو لایه بدون زاویه خاص انباشته شده بودند. هنگامی که آنها جذب نوری یک نمونه جدید دی سولفید تنگستن و نمونه تنگستن دی سلنید را برای مطالعه فعلی اندازه گیری کردند، آنها به طرز شگفت انگیزی تعجب کردند.
 
جذب نور مرئی در یک دستگاه دی سولفید تنگستن / دی سلنید تنگستن وقتی بیشترین مقدار را دارد که نور همان انرژی اکسایتون سیستم را داشته باشد که یک شبه ذره‌ است متشکل از الکترونی پیوند خورده با یک حفره، که در نیمه رساناهای دو بعدی معمول است. (در فیزیک، یک حفره یک فضای در حال حاضر خالی است که یک الکترون می تواند آن را اشغال کند.) محققانِ دیگر کشف کردند که سوپر شبکه های مویر شکل گرفته با گرافن فیزیک عجیب و غریبی را نشان می دهند مانند ابررسانایی هنگامی که لایه ها دقیقاً در زاویه ی درستی قرار بگیرند.
 
برای نور در محدوده انرژی‌ای که محققان در نظر می گرفتند، آنها انتظار داشتند یک قله را در سیگنالی ببینند که مربوط بود به  انرژی یک اکسایتون.
 
در عوض، آنها دریافتند که قله اصلی که انتظار می رفت آنها ببینند به سه قله متفاوت تقسیم شده است که سه حالت مختلف متمایز را نشان می دهند.
 
چه چیزی باعث افزایش تعداد حالت های اکسیاتون در دستگاه تنگستن دی سولفید / تنگستن دی سلنید از یک به سه می شود؟ آیا علت آن اضافه کردن سوپر شبکه مویر بود؟
 
برای فهمیدن این مطلب، همکاران آنها اِیمینگ یان و الکس زتل از یک میکروسکوپ الکترونی انتقالی (TEM) در موسسه تحقیقات علوم نانومقیاس آزمایشگاه برکلی در آزمایشگاه علوم نانومقیاس استفاده کردند تا تصاویری با رزولوشن اتمی از دستگاه دی سولفید تنگستن / دی سلنید تنگستن را بررسی کنند تا ببینند چگونه شبکه های مواد هم تراز شده اند.
تصاویر TEM آنچه را که در مورد آن تعجب کرده بودند تایید کرد: مواد در واقع یک سوپر لایه مویری را تشکیل می دادند. ریگان گفت: "ما شاهد الگوهای زیبا و تکراری در کل نمونه بودیم." "پس از مقایسه این مشاهدات آزمایشی با یک مدل نظری، ما دریافتیم که الگوی مویر یک انرژی پتانسیل بزرگ را به صورت دوره ای بر روی دستگاه نشان می دهد و بنابراین می تواند پدیده های کوانتومی عجیب را معرفی کند."
 
محققان سپس قصد دارند اندازه گیری کنند که چگونه این سیستم کوانتومی جدید می تواند به اپتوالکترونیک اعمال شود، امری که به استفاده از نور در الکترونیک مربوط می شود، و نیز چگونه در وَلیترونیک، زمینه ای که می تواند محدودیت قانون مویر را با کوچک کردن اجزای الکترونیکی گسترش دهد، و ابررسانایی، که الکترونها را قادر می سازد در دستگاه هایی که عملا بدون مقاومت هستند جریان یابند، اعمال می شود.
 
بر گرفته از سایت ساینس دیلی