به گزارش مجله خبری نگار،ورقهای از مواد را تصور کنید که فقط به اندازه یک لایه اتم ضخامت دارد. اگرچه این ممکن است خارق العاده به نظر برسد، اما چنین مادهای وجود دارد که گرافن نامیده میشود و از اتمهای کربن در آرایش لانه زنبوری ساخته شده است.
گرافن اولین بار در سال ۲۰۰۴ سنتز شد و در ادامه به عنوان مادهای با ویژگیهای شگفت انگیز مورد استقبال قرار گرفت. دانشمندان در حال پژوهش برای درک بیشتر خواص گرافن هستند. آرگ قازاریان و پروفسور ماکسیم سربین در مؤسسه علم و فناوری اتریش (ISTA) سالهاست که بر روی گرافن مطالعه میکنند و اکنون جدیدترین یافتههای خود را در مورد خواص ابررسانایی آن در یک مقاله تحقیقاتی در ۲ مارس در مجله Physical Review B منتشر کردهاند.
قازاریان توضیح میدهد: گرافن چندلایه، ویژگیهای امیدوارکننده زیادی دارد، از ساختار نواری با قابلیت تنظیم گسترده و خواص نوری خاص گرفته تا اشکال جدید ابررسانایی. این ویژگیها به این معنی است که گرافن چند لایه میتواند جریان الکتریکی را بدون مقاومت هدایت کند. در مدل نظری خود، ما به کار بر روی گرافن چند لایه ادامه میدهیم و به آرایشهای مختلف صفحات گرافن چند لایه را بررسی میکنیم. در این بررسی ها، ما پتانسیلهای جدیدی برای ایجاد گرافنهای چند لایه به نام ابررسانایی توپولوژیکی پیدا کردیم. در مطالعه خود، محققان با استفاده از شبیه سازی رایانهای بررسی کردند که وقتی چند لایه ورقه گرافن را به روشهای خاصی روی هم قرار میدهید، چه اتفاقی میافتد.
چهار ورقه گرافن در قالب یک لایه لانه زنبوری دو بعدی به ترتیب A، B، C و A قرار گرفتهاند. در این ساختار، هر ورقه شامل اتمهای کربنی است که در یک الگوی شبکهای به هم متصل هستند. با جابجایی لایه بالایی، ساختار به طور دورانی چرخیده و با لایه پایینی تراز شده است.
سربین میافزاید: این مانند یک مسابقه زیبایی بزرگ در میان پیکربندیهای مختلف ورقههای انباشته گرافن برای یافتن بهترین است. در این رقابت، ما به چگونگی رفتار الکترونهایی که در گرافن چندلایه حرکت میکنند نگاه میکنیم. بسته به نحوه جابجایی لایههای مختلف گرافن نسبت به یکدیگر و تعداد لایهها، هسته اتمهای کربن با بار مثبت در شبکه لانه زنبوری، محیطهای متفاوتی را برای الکترونهای اطراف خود ایجاد میکنند. الکترونهای با بار منفی توسط هستهها جذب شده و توسط یکدیگر دفع میشوند. ما با بررسی مدلهای واقعبینانه با در نظر گرفتن اینکه تنها یک الکترون که با هستههای گرافن برهمکنش میکند، شروع کردیم. قازاریان توضیح میدهد که وقتی یک رویکرد امیدوارکننده پیدا کردیم، برهمکنشهای پیچیدهتری بین تعداد بیشتری از الکترونها را اضافه کردیم. با این رویکرد، محققان وقوع شکل عجیب و غریب ابررسانایی توپولوژیکی را تایید کردند.
قازاریان میگوید: این نوع تحقیقات نظری، پایههایی را برای آزمایشهای آینده بنا میکند که محققان سیستمهای گرافن شبیهسازی شده را در آزمایشگاه ایجاد کنند تا ببینند آیا واقعاً مطابق پیشبینیها رفتار میکنند یا خیر؟ کار ما به دانشمندان کمک میکند تا بدون نیاز به آزمایش هر پیکربندی از لایههای گرافن، تنظیمات جدیدی طراحی کنند. اکنون، تحقیقات نظری ادامه خواهد داشت در حالی که آزمایشها بازخوردی از طبیعت به ما میدهند.
در حالی که گرافن به آرامی کاربردهایی در تحقیقات و فناوری پیدا کرده است، به عنوان مثال به عنوان نانولولههای کربنی، پتانسیل آن به عنوان یک ابررسانای توپولوژیکی برای الکتریسیته اکنون در حال درک شدن است. سربین میافزاید: امیدواریم روزی بتوانیم این نوع مواد را به طور کامل در سطح مکانیک کوانتومی توصیف کنیم، هم به دلیل ارزش ذاتی تحقیقات علمی در خصوص ویژگیهای بنیادی ماده و هم برای کاربردهای بالقوه گرافن.
نتیجه شبیه سازی لایههای گرافن انباشته شده. این تصویر به اصطلاح انحنای Berry را نشان میدهد که ویژگی توپولوژیکی ابررسانایی را تایید میکند.
چهار لایه گرافن در فرم انباشته شدن ABCA. چهار ورقه اتم کربن در شبکههای لانه زنبوری دو بعدی که روی هم چیده شدهاند و هر کدام نسبت به زیر آن به سمت چپ جابجا شدهاند. لایه بالایی آنقدر جابجا شده است که ساختار آن دوباره با لایه پایین تراز میشود.