სიახლეები
თანამედროვე ელექტრონული კომპონენტების დასამზადებლად საჭიროა მრავალფეროვანი თვისებების მქონე მასალები. მაგალითად, ელექტრონიკაში დიდ როლს თამაშობენ იზოლატორები, რომლებიც არ ატარებენ ელექტრულ დენს და ზეგამტარები, რომლებიც ატარებენ დენს დანაკარგების გარეშე. ფუნქციონალური ელექტრული კომპონენტების მისაღებად ხშირად საჭიროა ასეთი თვისებების მქონე ნივთიერებების გვერდიგვერდ განლაგება. ამ ამოცანის გადაწყვეტა საკმაოდ რთულია, მაშინ როცა ჩვენი მიზანია პატარა ზომის - მიკრო ან ნანო-მასშტაბის ელექტრული კომპონენტის შექმნა.
ციურიხის ფედერალური ტექნოლოგიების ინსტიტუტის (ETH Zurich), მყარი სხეულების ფიზიკის ლაბორატორიის მკვლევართა ჯგუფმა Klaus Ensslin-ის და Thomas Inh-ის ხელმძღვანელობით შექმნა ნივთიერებები, რომელიც ელექტრული ძაბვის მოდების შემდეგ იქცევიან როგორც იზოლატორები ან ზეგამტარები, ან ორივე ერთად მასალის სხვადასხვა არეში. მათი შრომა 2021 წლის 3 მაისს გამოქვეყნდა ჟურნალში Nature Nanotechnology.
Klaus Ensslin-მა და მისმა გუნდმა გამოიყენეს ე. წ. „მაგიური კუთხით მობრუნებული ორ-ფენიანი გრაფენი“. „გრაფენის ფანტელი“ - ეს არის გრაფენის თხელი ფენა, რომლის სისქე არის ერთი ნახშირბადის ატომის ზომის. მკვლევრებმა ორი „გრაფენის ფანტელი“ ერთმანეთს დაადეს ისე, რომ გრაფენების კრისტალების ღერძები ერთმანეთთან პარალელურად განლაგების მაგივრად ადგენდნენ ე. წ. „მაგიურ კუთხეს“ - 1.06 გრადუსს.
ექსპერიმენტში მონაწილე პოსტდოკი Peter Rickhaus ამბობს: „ასეთი რამის გაკეთება საკმაოდ რთულია და ხშირად შედეგის მიღწევა ვერ ხერხდება, ალბათობა რომ პროცედურა წარმატებით დასრულდეს არის 20 %.“ წარმატების შემთხვევაში გრაფენის ფანტელების კრისტალური მესერი ქმნის ე. წ. მუარეს სტრუქტურას (Moire patter). ამის შემდეგ მკვლევრებმა ელექტროდები მიამაგრეს ასეთ ორ-ფენიანი გრაფენის სტრუქტურას და მიიღეს სასურველი შედეგი - ელექტრული ძაბვის დახმარებით ნივთიერების ელექტრული თვისებების ცვლილება, თუ სისტემას გავაცივებთ თითქმის აბსოლუტურ ნულამდე. იმისდა მიხედვით, თუ რა ძაბვას მოვდებთ ელექტროდებზე, გრაფენის ფანტელები იქცევიან როგორც იზოლატორები ან როგორც ზეგამტარები. საბოლოოდ, Klaus Ensslin-მა და მისმა ჯგუფმა შეძლეს რომ გრაფენის ფირფიტის იზოლატორული არიდან რამდენიმე ასეული ნანო-მეტრის მოშორებით მიეღოთ ზეგამტარი არე.
როგორც კიდევ ერთი პოსდოკი Fakko de Vries ამბობს „როცა ასეთი ეფექტი დავინახეთ, მაშინვე ვცადეთ ჯოსეფსონის კონტაქტის მიღება.“ ასეთი კონტაქტის (Josephson junction) დროს ორ ზეგამტარს შორის მოთავსებულია შედარებით თხელი იზოლატორი. იზოლატორიან სისტემაში დენის გადინება ზეგამტარებს შორის ვერ მოხერხდება, თუმცა კვანტურ მექანიკაში არსებობს ე. წ. ტუნელირების ეფექტი. სწორედ ელექტრონების ტუნელირებას აქვს ადგილი ჯოზეფსონის კონტაქტში, რაც გვაძლევს ელექტრულ დენს მიუხედავად იმისა, რომ დენი „გადის“ იზოლატორში. ამის გარდა, ელექტროდის ელექტრული ტევადობა შეიცვლება იმის მიხედვით, თუ რა დენი გადის ჯოზეფსონის კონტაქტში.
ETH-ის მკვლევრებმა მოახერხეს ჯოზეფსონის კონტაქტის შექმნა გრაფინის ფანტელის შიგნით სამ ელექტროდზე სხვადასხვა ძაბვის მოდებით. ეს მიდგომა შეიძლება განხორციელებული იქნას უფრო რთულ მოწყობილობებში, როგორებიცაა SQUID (Superconducting Quantum Interference Device). SQUID-ში ორი ჯოზეფსონის კონტაქტი ქმნის რგოლს, რაც შეიძლება გამოყენებული იქნას ძალიან მცირე მაგნიტური ველების გასაზომად ან კვანტურ კომპიუტერებში. კანტურ კომპიუტერებში გრაფენის ფანტელებით შეგვიძლია მივიღოთ ე. წ. ტოპოლოგიური იზოლატორები, რომლებსაც შეუძლიათ ელექტრული დენი გაატარონ მხოლოდ ერთი მიმართულებით მასალის საზღვრის გასწვრივ.
როგორც Klaus Ensslin ამბობს, „ელექტროდებით ჩვენ შეგვიძლია, პრაქტიკულად გრაფინის პიანინოზე დავუკრათ“. გარდა ამისა, ფიზიკოსები იმედოვნებენ, რომ მათი კვლევები დაგვეხმარება „მაგიური კუთხის გრაფენში“ ზეგამტარობის მექანიზმის გაგებაში.
წყარო:
