لقد لاحظ فيزيائيو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) أدلة مباشرة على التطبيع غير التقليدي في الغرافين ثلاثي الطبقات الملتوي بزاوية سحرية، مكشفًا فجوة طاقة مميزة على شكل V. يشير هذا الاختراق إلى اقتران إلكتروني مدفوع بتفاعلات قوية بدلاً من اهتزازات الشبكة. النتائج، المنشورة في مجلة Science، قد تفتح الطريق أمام مواد تطبيع تعمل في درجة حرارة الغرفة.
تمكن المواد التطبيعية من تدفق الكهرباء دون مقاومة، مما يدعم تقنيات مثل ماسحات الرنين المغناطيسي ومسرعات الجسيمات. ومع ذلك، تتطلب المواد التقليدية درجات حرارة منخفضة للغاية، مما يحد من استخدامها. يبحث الباحثون عن مواد غير تقليدية قد تعمل في ظروف أكثر دفئًا، مما قد يحدث ثورة في شبكات الطاقة والحواسيب الكمومية.
في تقدم رئيسي، درس فيزيائيو MIT الغرافين ثلاثي الطبقات الملتوي بزاوية سحرية (MATTG)، الذي يُصنع بترتيب ثلاث طبقات غرافين رقيقة كالذرات بزاوية دقيقة. تغير هذه الترتيب خصائص المادة، مما يعزز التأثيرات الكمومية. أشارت أعمال سابقة إلى التطبيع غير التقليدي في MATTG، لكن الدراسة الجديدة توفر التأكيد الأوضح حتى الآن.
قاس الفريق فجوة التطبيع، التي تظهر قوة حالة التطبيع. بخلاف الفجوة الناعمة والمسطحة في المواد التطبيعية التقليدية، تشكل فجوة MATTG شكل V حاد، مشيرة إلى آلية مختلفة. "تعطينا فجوة التطبيع فكرة عن نوع الآلية التي يمكن أن تؤدي إلى أشياء مثل مواد التطبيع في درجة حرارة الغرفة التي ستفيد المجتمع البشري في النهاية"، يقول المؤلف المشارك الرئيسي Shuwen Sun، طالب دراسات عليا في قسم الفيزياء بـMIT.
باستخدام إعداد جديد يجمع بين مطيافية النفق و قياسات نقل الكهرباء، أكد الباحثون أن الفجوة تظهر فقط عند مقاومة صفر، وهي علامة التطبيع. مع تغير درجات الحرارة والمجالات المغناطيسية، استمرت الشكل V، مشيرة إلى أزواج إلكترونية مرتبطة بإحكام مثل الجزيئات.
"في المواد التطبيعية التقليدية، تكون الإلكترونات في هذه الأزواج بعيدة جدًا عن بعضها البعض، ومرتبطة بضعف"، يشرح المؤلف المشارك الرئيسي Jeong Min Park، دكتوراه '24. "لكن في الغرافين بزاوية سحرية، كنا نرى بالفعل علامات على أن هذه الأزواج مرتبطة بإحكام شديد، تقريبًا مثل جزيء."
من المحتمل أن ينبع هذا الاقتران من تفاعلات إلكترونية قوية، لا من اهتزازات ذرية. يبني الاكتشاف على تجارب 2018 من مجموعة المؤلف الأول Pablo Jarillo-Herrero، التي أطلقت twistronics—مجال يستكشف المواد الرقيقة جدًا الملتوية.
"فهم واحد من المواد التطبيعية غير التقليدية جيدًا قد يثير فهمنا للباقي"، يقول Jarillo-Herrero، أستاذ فيزياء Cecil and Ida Green في MIT. "قد يوجه هذا الفهم تصميم مواد تطبيع تعمل في درجة حرارة الغرفة، على سبيل المثال، وهو نوع من الكأس المقدس لكامل المجال."
يخطط الفريق لتطبيق تقنيتهم على مواد 2D أخرى، بهدف اكتشاف مراحل كمومية جديدة وتطوير تقنيات مثل أنظمة الطاقة الفعالة والحوسبة الكمومية. تظهر البحث في Science (DOI: 10.1126/science.adv8376).