اكتشاف مادة جديدة بخواص مدهشة تعتبر النظير الثلاثي الأبعاد لأغشية الغرافين

اكتشف فريق من الباحثين في مختبر لورنس بيركلي التابع لوزارة الطاقة الأميركية أن مركب بزموت الصوديوم يمكن أن يظهر خواصا كمومية (لايمكن تفسيرها بالنظريات الكلاسيكية) ترشحه لأن يكون نظيراً ثلاثي الأبعاد لمادة الغرافين والتي تتألف من طبقة واحدة من ذرات الكربون تتحرك إلكتروناتها بسرعة عالية جدا مقارنة مثلا بمادة السيليكون المستخدمة في دارات الأجهزة الألكترونية والحواسيب. وكونها تتألف من طبقة واحدة من ذرات الكربون تسمى أيضا بأغشية الغرافين. أما المادة المكتشفة حديثاً فلا حاجة لأن تكون بطبقة رقيقة (ثنائية الأبعاد). مما يعد بتطبيقات كثيرة في مجال الصناعات التقنية العالية كصناعة ترانزستورات سريعة جداً وكذلك سواقات تخزين أصغر من الموجودة حالياً.

حيث اكتشف الفريق أن بزموت الصوديوم يمكن أن يتواجد بصيغة فريدة يطلق عليها الفيزيائيون اشباه معادن ديراك الطبولوجية ثلاثية الأبعاد أو 3DTDS. حيث يصف يولين تشين أحد المشاركين في الدراسة هذا النوع من المواد بأنها نظير طبيعي ثلاثي الأبعاد للغرافين بل انه يمكن أن تكون أفضل من حيث ناقلية وسرعة الالكترونات. كما وجدو أنها تمتلك ميزات مغناطيسية تفوق بعدة اضعاف ميزات تلك المواد المستعملة حاليا في الصناعات الحاسوبية.وذلك أيضاً يفتح الباب لصناعة حساسات ضوئية أكثر فعالية.

وحاليا يوجد اثنان من أكثر المواد الجديدة إثارة في عالم التقنيات الحديثة وهما الغرافين والعوازل الطوبولوجية وهي مواد بلورية بميزة فريدة من نوعها فهي عازلة كهربائيا في الداخل وناقلة للكهرباء على سطحها ما يعطيها صفات استثنائية وميزات مرغوبة فيزيائيا. وتعلل طبيعة العوازل الطوبولوجية بأنها تمتلك بنية الكترونية فريدة فالإلكترونات داخل البلورة تسلك سلوك إلكترونات المواد العازلة بينما على سطح المادة فالالكترونات تتحرك بناقلية عالية مما يشبه سلوك الكترونات الغرافين.

وكان التطور السريع للغرافين والعوازل الطوبولوجية قد طرح العديد من التساؤلات حول إذا ما كان هنالك نظائر ثلاثية الأبعاد ومواد أخرى بصفات هندسية غير اعتيادية في بنيتها الالكترونية وحسب ما يقول الباحث تشين فان الاكتشاف الجديد قد أجاب عن تلك التساؤلات حيث أن الدراسات التي أجريت على بزموت الصوديوم قد بينت أن الالكترونات على سطحه تمتلك خواصا مشابهة لخواص الكترونات الغرافين بينما البنية الإلكترونية لداخل المادة تشبه البنية المميزة للعوازل الطبولوجية.

وكان الاكتشاف الذي تم في مراكز أبحاث المنابع الضوئية المتطورة ALS التابع لوزارة الطاقة قد استخدم حزمة من الاشعة السينية تناسب دراسة تلك البنية الالكترونية، وعمد فريق الباحثين على تطوير إجراء خاص في إعداد بزموت الصوديوم، وهو شبه المعدن الذي كان مرشحا لامتلاك هذه الخواص الفريدة بناء على دراسة كل من النظريين فانغ و داي المساهمين في الدراسة من الأكاديمية الصينية للعلوم. وقد استعملت تجربة تحديد البنية الإلكترونية مطيافية الاصدار الفوتوني المحدد الزوايا ( ARPEs ) والتي فيها يتم تعريض السطوح الخارجية أو الداخلية للمواد المراد دراستها للأشعة السينية مما يسبب انبعاث فوتونات من الالكترونات بزوايا وطاقات حركية يمكن قياسها مما يعطينا تفاصيل دقيقة للطيف الالكتروني. وتلك الحزمة الضوئية هي مثالية لاكتشاف مواد جديدة فهي تملك مقدرة فريدة من حيث تحليل العينات وإجراء مسح دقيق للقياسات عن طريق تقنية ( ARPEs ) دون الحاجة لتحريك العينة بل إن اجهزة الاصدار والقياس هي التي تتحرك.

وهذا ما يجعل الإجراء مناسبا جدا فالسطح المشقوق للعينة يمكن أن يكون لها عدة طبقات، الأمر الذي يجعل من مخططات ومنحنيات قياسات العينة معقدة وصعبة لو أدرنا تدوير العينة نفسها.

ومن الجدير ذكره أن بزموت الصوديوم هو مادة غير مستقرة ما يعيق استخدامها في الأجهزة من دون تغليف ملائم، لكن يجري حاليا التنقيب لاكتشاف وتطوير مواد أخرى من الـ 3DTDS أكثر استقرار وملائمة للاستخدام في الأجهزة اليومية .كما يمكن استعمال بزموت الصوديوم حاليا لإظهار التطبيقات المحتملة لأنظمة 3DTDS ما يقدم أفضلية واضحة على الغرافين .

بالإضافة لإمكانيته من تحسين فعالية العديد من التطبيقات بشكل أفضل من الغرافين وذلك بسبب بنيته ثلاثية البعاد ولأن تحضير شرائح بقياسات كبيرة وسماكة رقيقة من الغرافين لا يزال يشكل تحدياً كبيراً وبالتالي فإنه من الأسهل استعمال تطبيقات تعتمد على مواد 3DTDS.

، ويضيف الباحثون بأن هذه المواد تفتح الباب كذلك لخصائص فيزيائية جديدة باستطاعتها أن تغير من مستقبل التقنيات الالكترونية. 

المصدر: هنا

حقوق الصورة: Tikara.inc