اكتشافٌ مثيرٌ في عالم الجرافين!

تخيّلوا إلكتروناتٍ تُجبر على اجتياز متاهةٍ من ذرات الكربون المُرتبة بطريقةٍ فريدةٍ في أكوامٍ ملتوية، ما يُنتج سلوكياتٍ غريبةً! 🚀

لقد اكتشف باحثون من جامعاتٍ عالميةٍ، مثل جامعة كولومبيا البريطانية في كندا، وجامعة واشنطن وجامعة جونز هوبكنز في الولايات المتحدة، ومعهد العلوم الوطنية للمواد في اليابان، حالةً غريبةً جديدةً من المادة في ديناميكيات التيارات المتدفقة عبر طبقات الجرافين.

تُؤكد النتائج التنبؤات حول كيفية سلوك الإلكترونات عند ضغطها في ترتيبات بلورية، وربما تُفتح أبواب جديدة لفهمٍ أعمق لكيفية تحقيق طرق موثوقة لحوسبة الكم أو الكشف عن طرق لتطوير موصلية فائقة عند درجة حرارة الغرفة. 🤔

يقول الكاتب الرئيسي للدراسة، جاشوا فولك، فيزيائي المادة المُكثّفة في جامعة كولومبيا البريطانية: “النقطةُ البِدائيّةُ لهذا العملِ هي رقّقتانِ من الجرافين، اللتانِ تتكوّنانِ من ذرّاتِ كربونٍ مرتّبةٍ في هيكلِ خليةٍ مُنَحَلّةٍ”. “طريقةُ قفزِ الإلكتروناتِ بين ذرّات الكربون تحدّدُ الخواصّ الكهربائيّة للجرافين، والتي تنتهي بكونها مُشابهةً ظاهريّاً للموصلاتِ الأكثر شيُوعاً مثل النحاس”. 💡

يُعدّ الجرافين، على مدار العقدين الأخيرة، من الموادّ العجائبية! شبكتهُ من ذرّاتِ الكربونِ مُتّصِلةٌ بطريقةٍ تُتركُ فيها إلكتروناتٌ زائدةٌ لتُنتقلَ كالرموز في لعبة الشطرنج الكمومية. ♟️

لقد ثنى الفيزيائيون باستمرار قواعد هذه اللعبة، ووجدوا طرقًا جديدة وغير عادية لتغيير خصائص المقاومة أو التنسيق في حالات غريبة. لذلك، أصبح الجرافين ساحةً لعبٍ مثاليةً للبحث عن أدلة حول توصيل الموصلية منخفضة المقاومة أو اختبار حدود التأثيرات الكمية المختلفة.

من بين هذه التأثيرات، هناك “تجميد” للإلكترونات في مواقع محدودة، مما يحولها فعليًا من كتلة سائلة متدفقة إلى شيء ذي بنية، يُعرف هذا الطور من الإلكترونات باسم بلورة فاغنر. 🧊

في هذه السلسلة من التجارب، قام الباحثون بتدوير أكوام من صفائح الجرافين أحادية الذرة بطريقة أجبرت ذرات الكربون غير المترابطة على التزامن في ما يُوصف بتأثير مويريه. 🔄

لا يصعب العثور على تأثيرات مويريه في عالمنا اليومي! ففي أكوام الشبكات أو الشاشات، تظهر كخطوط متكررة أو دوائر أو منحنيات. ولكن في هذه الحالة، تُحدث الهياكل المتناقضة في الجرافين الملتوي فوضى في هندسة الإلكترون. والنتيجة هي تحول في سرعة الإلكترون، حيث يتطور بعضها حتى إلى دوران أثناء تحركه على طول حواف المادة. 🌀

“يُؤدي هذا إلى سلوكٍ مُناقضٍ للّلوَحِ الإلكترونيّ التّوبولوجيّ لم يُرَ في بلورات واغنر التقليديّة السّابقة – على الرغم من تكوّن البلوَرَةِ عند تجميد الإلكترونات في ترتيبٍ مُنظمٍ، إلّا أنّها تُوصّل الكهرباء على طول حدودها”، يقول فولك. 🤯

في هذا المجال الغريب الجديد لسلوك الإلكترونات، تظهر أنشطة غريبة، مثل كمّية المقاومة المعروفة باسم تأثير هول الكميّ. 🔬

تُشكّل الحالات الجديدة من النّشاط التّوبولوجيّ مثل هذه كنزا ثمينًا للفيزيائيين الراغبين في استكشاف سبل ابتكار وحدات الحوسبة الكميّة المعروفة باسم الكيوبتات التي تتمتع بمقاومة أكبر من الأنواع التقليديّة القائمة على الجسيمات الأساسية. 💻

قد يكون تشويه أكوام ضيقة من الجرافين إلى ما يُعادل الإلكتروني لشريط مِؤبيوس مجرد بداية. يُنظّر إلى الهندسة على هذا المقياس بأنها ستُنتج حيوانًا غريبًا من شبه الجسيمات الإلكترونية الكمومية ذات أنواع جديدة من الفيزياء المُعوجة. 😲

نُشرت هذه الأبحاث في مجلة طبيعة.

المصدر: ScienceAlert