پژوهشگران دانشگاه بریتیش کلمبیا در کانادا، دانشگاه واشنگتن و دانشگاه جانز هاپکینز در ایالات متحده و مؤسسه ملی علوم مواد در ژاپن بهتازگی یک حالت جدید و عجیب از ماده را در جریانهای الکتریکی که از میان لایههای گرافن عبور میکنند، کشف کردهاند.
این یافتهها پیشبینیهای مربوط به رفتار الکترونها در آرایشهای بلوری فشرده را تأیید میکند و میتواند ایدههای جدیدی برای دستیابی به روشهای پایدار در محاسبات کوانتومی یا توسعه ابررسانایی در دمای اتاق ارائه دهد.
جاشوا فولک، فیزیکدان ماده چگال از دانشگاه بریتیش کلمبیا و نویسنده ارشد این مطالعه، میگوید:
«نقطهی شروع این پژوهش، دو لایهی نازک از گرافن است که از اتمهای کربن در یک ساختار ششضلعی (لانهزنبوری) تشکیل شدهاند.
نحوهی جهش الکترونها بین این اتمهای کربن، خواص الکتریکی گرافن را تعیین میکند که در ظاهر شباهتهایی با رساناهای رایجتری مانند مس دارد.»
در دهههای اخیر، گرافن بهعنوان یک ماده شگفتانگیز مطرح شده است. در این ماده، اتمهای کربن بهگونهای به هم متصل شدهاند که باعث میشود الکترونهای اضافی آزادانه جابهجا شوند، مانند مهرههایی که در یک بازی چکرز کوانتومی حرکت میکنند.
فیزیکدانان بارها قواعد این بازی را تغییر دادهاند و روشهای جدید و غیرمعمولی برای تغییر مقاومت الکتریکی یا ایجاد حالتهای فیزیکی عجیبوغریب پیدا کردهاند. به همین دلیل، گرافن به آزمایشگاهی ایدهآل برای جستجوی سرنخهایی در مورد رسانایی کممقاومت و بررسی مرزهای مختلف اثرات کوانتومی تبدیل شده است.
یکی از این اثرات، «انجماد» الکترونها در موقعیتهای محدود است که در نتیجه، آنها از حالتی شبیه به مایع جاری به ساختاری منظم تبدیل میشوند. این فاز از آرایش الکترونها که به بلور ویگنر (Wigner crystal) معروف است، دارای شکلها و ویژگیهای خاصی است که تاکنون پژوهشگران تصور میکردند بهخوبی آن را درک کردهاند.
در این آزمایشها، پژوهشگران لایههای تکاتمی گرافن را بهگونهای پیچوتاب دادند که باعث شد اتمهای کربن بدون پیوند به شکل خاصی همراستا شوند. این چینش، اثری موسوم به «موآره» (Moiré) را ایجاد کرد.
اثر موآره در زندگی روزمره ما رایج است. این پدیده را میتوان در رویهم قرار گرفتن صفحات مشبک یا نمایشگرها مشاهده کرد که در آن، خطوط، دایرهها یا منحنیهای تکرارشوندهای ظاهر میشوند، زیرا الگوهای تاریک و روشن در هم ترکیب شده یا یکدیگر را خنثی میکنند.
اما در مورد گرافن پیچخورده، این ساختارهای متضاد، هندسهی حرکت الکترونها را به هم ریخته و بهاصطلاح، توپولوژی آن را تغییر دادهاند. نتیجهی این تغییر، کاهش سرعت برخی از الکترونها و حتی ایجاد پیچشی در حرکت آنها در لبههای ماده است.
فولک میگوید:
«این تغییرات، منجر به رفتاری متناقض در این بلور توپولوژیکی الکترونی شده است که در بلورهای ویگنر معمولی دیده نمیشود.
بهرغم اینکه این بلور با منجمد شدن الکترونها در یک آرایش منظم شکل گرفته است، اما همچنان میتواند در مرزهای خود جریان الکتریسیته را هدایت کند.»
در همین قلمرو عجیب و غریب رفتار الکترونها، پدیدههایی شگفتانگیز رخ میدهند، مانند کوانتیزه شدن مقاومت الکتریکی که به اثر کوانتومی هال (Quantum Hall Effect) معروف است.
چنین حالتهای جدیدی در فیزیک توپولوژیکی، فرصتهای طلایی برای فیزیکدانان فراهم میکند تا روشهایی برای ساخت بیتهای کوانتومی (Qubit) مقاومتر نسبت به روشهای متداول مبتنی بر ذرات بنیادی بیابند.
شاید پیچاندن لایههای نازک گرافن به حالتی شبیه به نوار موبیوس (Möbius strip) تنها آغاز این مسیر باشد. در مقیاسهای میکروسکوپی، چنین تغییراتی میتوانند طیف وسیعی از شبهذرات الکترونی را با خواص کاملاً جدید و فیزیک عجیبی به وجود آورند.
این پژوهش در نشریهی معتبر Nature منتشر شده است.