غالبًا ما يتم البحث كعملية متعددة المراحل. إن حل سؤال واحد يمكن أن يثير عدة أسئلة أخرى، مما يلهم العلماء للوصول إلى أبعد من ذلك والنظر إلى المشكلة الأكبر من عدة وجهات نظر مختلفة. غالبًا ما تكون مثل هذه المشاريع حافزًا للتعاون الذي يستفيد من خبرات وقدرات الفرق والمؤسسات المختلفة أثناء نموها.
على مدى نصف قرن، بحث العلماء في ألغاز ثاني كبريتيد التنتالوم في الطور 1T (1T-TaS)2)، وهي مادة ذات طبقات غير عضوية لها بعض الخصائص الكمومية المثيرة للاهتمام، مثل الموصلية الفائقة وموجات كثافة الشحنة (CDW).
لكشف البنية والسلوك المعقد لهذه المادة، تواصل باحثون من معهد جوزيف ستيفان في سلوفينيا وجامعة باريس ساكلاي في فرنسا مع الخبراء الذين يستخدمون خط شعاع وظيفة التوزيع الزوجي (PDF) في مصدر ضوء السنكروترون الوطني II (NSLS-II) )، مرفق المستخدم التابع لمكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية والذي يقع في مختبر بروكهافن الوطني التابع لوزارة الطاقة، لمعرفة المزيد حول بنية المادة.
وبينما كان الفريق في سلوفينيا يدرس هذه الأنواع من المواد لعقود من الزمن، إلا أنها كانت تفتقر إلى التوصيف الهيكلي المحدد الذي يمكن أن يوفره PDF.
نتائج هذا التعاون، نشرت مؤخرا في طبيعة الاتصالات، كشفت عن حالة إلكترونية مخفية لا يمكن رؤيتها إلا من خلال مسبار البنية المحلية مثل تقنية وظيفة التوزيع الزوجي. مع فهم أكثر اكتمالًا لـ 1T-TaS2نظرًا لحالاتها الإلكترونية، قد تلعب هذه المادة يومًا ما دورًا في تخزين البيانات، والحوسبة الكمومية، والموصلية الفائقة.
توفر النقطة الأفضل رؤية أفضل
عندما يدرس العلماء مادة ما، فإنهم أحيانًا يريدون رؤية الطريقة التي يتم بها ترتيب الذرات على المدى القصير - مقياس 10 نانومتر - وأحيانًا يريدون رؤية كيف تتكرر الأنماط في البنية الذرية على المدى الطويل، مثل مقياس الميكرومتر .
الفرق بين هذه المقاييس يمكن مقارنته بالنظر إلى عدد قليل من المباني المختلفة في شارع واحد مقابل الطريقة التي يتم بها ترتيب المباني في عدة مجمعات سكنية في المدينة. تتطلب كل واحدة من هذه المهام وجهة نظر مختلفة تمامًا. عند دراسة خصائص مادة ما، قد يتمكن الباحثون من رؤية سلوكيات معينة فقط على مقياس طول محدد.
"إننا نقوم بعدة أنواع من القياسات عند خط الشعاع"، أوضحت عالمة خط الشعاع الرئيسية ميليندا أبيكون. "عادة، نستخدم حيود مسحوق الأشعة السينية (XRD) لتوصيف الترتيب طويل المدى للعينة، ولكن في هذه المادة، اشتبهنا في وجود ميزات مرتبة قصيرة المدى يمكن أن تؤدي إلى خصائصها المثيرة للاهتمام، لذلك تم استخدام PDF مثالية لهذا النوع من التوصيف الهيكلي.
"يحتوي خط الشعاع أيضًا على معدات متخصصة، مثل إعداد منفاخ الهواء البارد المدمج ومنفاخ الهواء الساخن، والذي كان أمرًا بالغ الأهمية بالنسبة لنا لاكتشاف بعض الميزات الدقيقة المعتمدة على درجة الحرارة لهذه المادة على نطاق واسع جدًا من درجات الحرارة."
وقال إميل بوزين، العالم الذي يقود أبحاث PDF في جامعة كاليفورنيا: "يمكن أن يكون لديك مادة تبدو كنظام مثالي طويل المدى عند ملاحظتها باستخدام XRD، ولكن قد يتم اكتشاف الانحرافات الهيكلية على نطاق أقصر عند استخدام PDF". قسم فيزياء المواد المكثفة وعلوم المواد (CMMPMS) في مختبر بروكهافن الوطني وأحد المؤلفين الرئيسيين لهذه الورقة.
"إذا لم نطبق هذه التقنية، فلن نتمكن من رؤية وجود أمر مخفي قصير المدى في النظام والذي أخطأته جميع المجسات المستخدمة سابقًا. هناك جانب هيكلي محلي مهم لها."
1T-تاس2: مادة ذات طبقات مليئة بالمفاجآت
إن مركبات ثنائي كالكوجينيدات المعادن الانتقالية، أو TMDs، هي فئة من المواد المصنوعة من طبقات رقيقة ذريًا. تتميز TMDs بمعدن انتقالي يقع بين طبقتين من الكالكوجينات، وهي مواد تحتوي على الأكسجين والكبريت والسيلينيوم. يبلغ سمك كل طبقة من هذه الطبقات المادية ذرة واحدة فقط، أي ما يعادل جزءًا من المليون من سمك خصلة شعر الإنسان.
في حالة 1T-TaS2، يتم وضع طبقة رقيقة من التنتالوم بين طبقتين من الكبريت. كل مادة لها هيكلها الطبقي الخاص، ولكن عندما يتم دمج الطبقات، تتفاعل الإلكترونات مع بعضها البعض في هذه البيئة المختلفة وتخلق خصائص جديدة.
تمت دراسة TMDs لعقود عديدة لأنها تعرض CDWs رائعة ولكنها معقدة أثناء تبريدها. إن التنازل عن التنازلات عبارة عن محاذاة محددة طويلة المدى للرسوم التي يمكن أن تكون مدفوعة بعوامل مختلفة؛ في مواد TMD المختلفة، يتم تكديس الطبقات بطرق مختلفة بمهارة. كيف يرتب الهيكل نفسه يخلق نظامًا محددًا للغاية.
1T-تاس2 خاص في نواح كثيرة. مثل أجهزة TMD الأخرى، فإنه يعرض CDW هذا، ولكن على عكس الأجهزة الأخرى التي تظل معدنية، مما يعني أنها تقوم بتوصيل التيار الكهربائي بشكل جيد، فإن هذا النظام المعين هو في الواقع عازل في حالة CDW الخاصة به.
CDW هي ظاهرة كمومية تتضمن حركة الإلكترونات التي تشكل نمطًا متكررًا داخل المادة. يؤثر هذا الترتيب على الخصائص الإلكترونية والهيكلية للمادة، مما يفتحها أمام تطبيقات مختلفة، بما في ذلك تخزين الذاكرة وأجهزة الاستشعار التكنلوجيا، والحوسبة الكمومية.
ميزة أخرى ملحوظة لـ 1T-TaS2 هو أنها مادة مرشحة لسائل الدوران الكمومي. السوائل المغزلية الكمومية هي أنظمة مغناطيسية، مما يعني أن المادة ليس لها ترتيب مغناطيسي طويل المدى. وبسبب التقلبات الكمومية، فإن دورانها لا يستقر أبدًا، حتى في درجات الحرارة المنخفضة. وتتميز هذه المواد بالتشابك الكمي، مما لفت انتباه الباحثين في مجال حساب الكم الطوبولوجي إليها.
وقال بوزين: "لقد تم استكشاف هذا المفهوم بعمق من الناحية النظرية، ولكن هناك القليل من البيانات حول إدراك النظام الفعلي لهذه المفاهيم. على الرغم من أننا لا نعالج هذه المشكلة بشكل مباشر في دراستنا، إلا أنها واحدة من السمات الرئيسية لهذه المادة التي تجعلها مثيرة للاهتمام للغاية. إذا ثبت أن الحالة السائلة المغزلية النظرية لهذه المادة يمكن بالفعل أن تكون مستقرة، فإن ذلك يفتح إمكانيات جديدة في عالم علم المعلومات الكمومية.
تسليط الضوء على مراحل جديدة
"1T-تاس2 ليست مثيرة للاهتمام فقط بسبب إمكاناتها في الحوسبة الكمومية. وقال دراجان ميهايلوفيتش، رئيس قسم المواد المعقدة في معهد جوزيف ستيفان في سلوفينيا وأحد المؤلفين الرئيسيين لهذه الورقة: "هناك أيضًا تطبيقات في الحوسبة الكلاسيكية ذات أهمية عملية أكثر".
"لقد اكتشفنا أن هذه المادة تقوم بشيء غير عادي حقًا عندما تتعرض لنبضات قصيرة جدًا من الضوء أو الكهرباء. يمكن أن تتسبب هذه النبضات في تغيير تكوين الشحنة داخل CDW، مما يؤدي بدوره إلى انخفاض كبير في المقاومة الكهربائية.
"في درجات الحرارة المنخفضة، يمكن لهذه التغييرات أن تدخل إلى حالة موصلة "مستقرة"، والتي يمكن التحكم فيها مرة أخرى إلى الحالة العازلة حسب الرغبة. وهذا له تطبيقات عملية في مجال الحوسبة، مثل تخزين الذاكرة، والذي بدأ الفريق في سلوفينيا بالفعل في استكشافه مع اللاعبين الرئيسيين في صناعة التكنولوجيا.
"المزايا الرئيسية تأتي من حقيقة أن هذه الأجهزة تظهر أوقات تبديل مقاومة أقل من البيكو ثانية ولها تبديد قياسي منخفض في نطاق أتو جول. بالإضافة إلى خصائص التدوير والقياس الممتازة، فإن أجهزة "ذاكرة تكوين الشحن" هذه تعتمد على 1T-TaS2 تعتبر واعدة جدًا لجميع أنواع تطبيقات الحوسبة البردية."
"استخدام تقنية PDF لاستكشاف البنية البلورية لـ 1T-TaS2 وقال أبيكون: "على مدى نطاق واسع من درجات الحرارة، قمنا بالعديد من الملاحظات المدهشة للغاية". "درجة حرارة المادة تغير البنية الإلكترونية."
ومع انخفاض درجة الحرارة، تدخل المادة إلى حالة CDW حيث يبدأ الترتيب بعيد المدى للمادة في التشويه والتغيير. أقل من 50 كلفن - درجات الحرارة التي يؤدي فيها تطبيق نبضات ضوئية سريعة إلى حالة شبه مستقرة - تظهر المادة تشوهًا هيكليًا غير متوقع يربط بين طبقات التنتالوم المجاورة. قد يحمل هذا التشويه المفتاح لتحقيق حالة طويلة الأمد ناجمة عن النبضات.
على العكس من ذلك، فإن تسخين المادة فوق 550 كلفن يزيل CDW تمامًا، مما يؤدي إلى مادة غير مشوهة.
وأوضح أبيكون: "من المثير للدهشة أن التشوهات قصيرة المدى المشابهة لتلك التي شوهدت في درجات الحرارة المنخفضة تستمر على نطاق محلي عند درجات حرارة أعلى بكثير من حالة CDW". "توفر هذه النتيجة فكرة عما يدفع إلى تكوين CDW في هذا النظام."
تنشأ هذه التشوهات الناتجة عن درجات الحرارة المرتفعة من البولارونات، وأشباه الجسيمات التي أنشأتها الإلكترونات أثناء تحركها عبر البنية الشبكية للمادة والتفاعل معها محليًا. فوق 600 كلفن، يبدأ الهيكل الطبقي للنظام في التغير بشكل لا رجعة فيه. إنه يتحول من تكديس متجانس لنوع واحد من طبقة شطيرة الكبريت والتنتالوم والكبريت إلى كومة غير متجانسة حيث تغير كل طبقة شطيرة أخرى نوعها.
ومع حدوث التغيير، ينخفض عدد القطبين بنسبة 50%. وهذا يعني أن البولارونات تفضل نوعًا واحدًا فقط من طبقة الساندويتش، وهو النوع الذي شوهد في 1T-TaS الأصلي2.
قال ميهايلوفيتش: "يعطي هذا دليلاً لا لبس فيه على وجود بولارونات أعلى بكثير من درجة حرارة ترتيب CDW، وهو ما لم يتم ملاحظته من قبل".
إن ترتيب شحن هذه المادة - وهو النمط الذي تنشئه الإلكترونات بناءً على كثافتها في مناطق مختلفة من المادة - مدفوع بآلية مختلفة تمامًا عما يتوقعه المرء تقليديًا. يتضمن الترتيب تبلور البولارونات في حالتها المرتبة. وهذا مشابه لما يُعرف باسم "بلورة ويغنر"، والتي تصف الإلكترونات مرتبة في حالة بلورية صلبة.
إن فهم الخصائص الإلكترونية المعقدة لهذه المادة وكيفية التحكم فيها يفتح المجال أمام مجموعة من التطبيقات المحتملة في مجال الإلكترونيات والاستشعار والحوسبة، ولكن لا يزال هناك الكثير لنتعلمه. على الرغم من أن هذه الحالات المخفية التي تظهر عند ضرب المادة بنبضات ليزر فائقة السرعة قد شوهدت في الماضي، إلا أنها لم يتم فهمها بالكامل على الإطلاق.
ويخطط الفريق لفك تشفير البنية الذرية وعلاقتها ببنية التوازن المنظمة. لا تزال الطبيعة المعتمدة على درجة الحرارة للحالة شبه المستقرة غير مفهومة تمامًا. ولتحقيق قدرات التبديل الضوئية والكهربائية لهذه المادة بشكل كامل لتطبيقات التكنولوجيا المتقدمة في درجات حرارة أكثر دفئا، يحتاج الباحثون إلى تحديد المزيد من التفاصيل حول هذه الحالة.
وقال بوزين: "لا تزال هناك مناطق عديدة غير مستكشفة في هذا النظام، بما في ذلك البنية المحلية. كشفت دراستنا أن هذا النظام هو في الواقع أكثر تعقيدًا، وكان معقدًا بالفعل في البداية. هناك أسرار حول هذه المادة تتكشف باستمرار، وستستمر في الظهور على مر العقود.