علماء الفيزياء ينتجون مادة فائقة الموصلية من الجرافين الملفوف

علماء الفيزياء ينتجون مادة فائقة الموصلية من الجرافين الملفوف (ساندويتشة النانو)

مقال مترجم بتصرف

البحث الذي نحن بصدده مهم من أكثر من ناحية مساهمته في حل لغز الموصلية الفائقة وقد يقود إلى موصلات فائقة عند حرارة الغرفة.

عندما يتم وضع لفافتين من الجرافين فوق بعضهما (اللفافة عبارة عما يماثل الورقة ولكنها مصنوعة من طبقة واحدة فقط من ذرات الكربون). هاتين اللفافتين عندما توضعان فوق بعضهما بزاوية معينة، فإن ذلك يحولهما إلى موصل فائق! (موصل بدون مقاومة للتيار الكهربائي).

هذه الزاوية السحرية التي تنقل الجرافين من موصل عادي إلى فائق تم اكتشافها لأول مرة في العام 2018 لطبقتين من الجرافين فقط من قبل مجموعة من علماء جامعة إم أي تي ومعهد علوم المواد الوطني الياباني. ومنذ ذلك الحين يبحث العلماء عن مواد أخرى تحقق نفس الشرط تحت ما صار يعرف بالإلكترونيات الملفوفة! Twistronics . في بحث نشر حديثا من قبل نفس الفريق السابق في مجلة نيتشر، تم اكتشاف الموصلية هذه المرة في صف من ثلاث لفائف من الجرافين فوق بعضها وعند زوايا سحرية أيضا. ولكن المادة الناتجة تفوق فيزيائيا نظيرتها السابقة.

يقوم الفريق البحثي بالتحكم في الطبقات عن طريق المجال الكهربائي، مما يعني التحكم بالموصلية الفائقة بهذه الطريقة التي لم تحصل من قبل. يقول الفريق الباحث: كنا نتوقع أن الموصلية الفائقة في الجرافين ذي الطبقتين كانت شيئا نادرا، وها نحن نحصل على موصلية فائقة من ثلاث طبقات. لاحظ أن الاكتشاف تقع أهميته في ناحيتين: موصلية فائقة في مادة جديدة تماما، وإمكانية التحكم بالموصلية فقط عن طريق تعديل زاوية الإزاحة للطبقة الوسطى بالنسبة للطبقتين الآخرين. أي صار لدينا موصلية تحت الطلب! يقول الفريق: سوف يخدم هذا الاكتشاف بشكل كبير حقل المعلومات الكمية وحقل الاستشعار الدقيق.

من أجمل ما يشاهد في المجال الفيزيائي أن تتطابق الأطروحات النظرية مع النتائج التجريبية، ولا يهم أيهما يسبق، فقد سارع علماء الفيزياء النظرية بفحص الموضوع واقترحوا أن حصول الموصلية الفائقة في طبقتين يعني إمكانية حصولها في أكثر من ذلك. وهذا ما أثبته الفريق المذكور.

كانت الفكرة النظرية تقول بأنه لو تم وضع ثلاث لفائف من الجرافين فوق بعضها بحيث تكون الطبقة الوسطى مدارة بزاوية 1.56 درجة بالنسبة للفافتين الأخريين فإن هذا يقود إلى نظام متناسق بطريقة تشجع الإلكترونات لتشكل أزواجا تتحرك بلا مقامة شأنها شأن الموصلات الفائقة التقليدية.

على هذا الأساس قام الباحثون المذكورون بتجربة هذا الطرح ولدهشتهم أنهم حصلوا على ما كان النظريون يعتقدونه.

كما سبق أعلاه، هذه الموصلية يمكن تشغيلها وإطفاؤها كما في الترانستور عن طريق المجال الكهربائي. للمعلومية تم إجراء التجربة عند درجات حرارة منخفضة في حدود 3 درجات كلفن. للمقارنة، الألمونيوم يصبح فائق الموصلية فقط عند حدود 1 درجة كلفن مع أن لديه كثافة أعلى في الإلكترونات.

يخطط الفريق لزيادة عدد طبقات اللفائف، لعل أن يؤدي ذلك إلى رفع درجة الحرارة أكثر وفي ذهنهم درجة حرارة الغرفة كهدف بعيد.