دانشمندان برای نخستین بار از حرکت اتم‌ها فیلم‌برداری کردند

به گزارش ایسنا به نقل از آی‌ای، این پیشرفت به رهبری «ییچائو ژانگ» (Yichao Zhang)، استادیار گروه مهندسی مواد در دانشگاه مریلند، نوعی حرکت کاملا جدید را درون مواد کوانتومی آشکار کرده که می‌تواند آینده‌ الکترونیک فوق‌نازک و دستگاه‌های کوانتومی را دگرگون کند.

ژانگ و گروهش با استفاده از روش تصویربرداری نسل جدیدی به نام پتیکوگرافی الکترونی (electron ptychography)، نخستین تصاویر میکروسکوپی از فازون‌های موآره (moire phason) را ثبت کردند؛ لرزش‌های هماهنگی که در مواد دوبُعدی پیچ‌خورده به وجود می‌آیند.

وقتی دو لایه از مواد دوبُعدی (مثل گرافن) را کمی نسبت به هم بچرخانید یا روی هم بلغزانید، الگویی موج‌دار و تکرارشونده ایجاد می‌شود که به آن الگوی موآره (moiré pattern) می‌گویند.

در فیزیک، فازون (phason) به یک نوع خاص از ارتعاش یا موج در ساختارهای دوره‌ای یا نیمه‌دوره‌ای گفته می‌شود که در آن موقعیت نسبی دو لایه نسبت به هم نوسان می‌کند، نه فقط خودِ اتم‌ها. بنابراین فازون موآره یعنی یک نوع لرزش یا ارتعاشِ جمعی از اتم‌ها که فقط در ساختارهای موآره‌ای دوبُعدی اتفاق می‌افتد.

این حرکات اتمیِ نامحسوس که بر اثر گرما ایجاد می‌شوند، تا پیش از این از دید دانشمندان پنهان مانده بودند.

در این تکنیک دانشمندان به وضوحی بهتر از ۱۵ پیکومتر دست یافتند که آن‌قدر حساس است که می‌تواند تارشدگی بسیار جزئی اتم‌ها را که در اثر حرکت حرارتی ایجاد می‌شود، شناسایی کند.

این لرزش‌ها که پیش‌تر فقط در نظریه‌ها پیش‌بینی می‌شدند، اکنون قابل مشاهده‌اند و فرضیه‌های قدیمی درباره‌ نحوه‌ انتقال گرما در مواد دوبُعدی و تعامل آن با الگوهای اتمی را تایید می‌کنند.

در مرکز این کشف، فازون‌های موآره قرار دارند. لرزش‌های موضعی خاص زمانی پدید می‌آیند که دو لایه‌ اتمی کمی نسبت به هم پیچ می‌خورند.

این لرزش‌ها بر ویژگی‌هایی مانند رسانایی گرمایی و ابررسانایی در دستگاه‌های نسل بعدی تأثیر می‌گذارند و تا امروز، هرگز مستقیما تصویربرداری نشده بودند.

ژانگ می‌گوید: این مثل رمزگشایی از زبان پنهانِ حرکت اتم‌هاست. پتیکوگرافی الکترونی به ما اجازه می‌دهد این لرزش‌های ظریف را مستقیما ببینیم. اکنون ابزار قدرتمندی در اختیار داریم تا فیزیک پنهانی که پیش‌تر دست‌نیافتنی بود را بررسی کنیم و این روند اکتشافات در مواد کوانتومی دوبعدی را شتاب می‌بخشد.

هموار کردن مسیر برای فناوری‌های کوانتومی هوشمندتر

این دستاورد، اولین باری است که دانشمندان توانسته‌اند به‌طور مستقیم تصویربرداری کنند که چگونه فازون‌های موآره باعث ایجاد لرزش‌های حرارتی در مواد دوبُعدی پیچ‌خورده می‌شوند.

اما درک اینکه گرما چگونه در این ساختارهای فوق‌نازک حرکت می‌کند، به‌خاطر نبود ابزارهای بصری کافی، محدود مانده بود.

روش ژانگ نه‌ تنها حرکت اتم‌ها را در مقیاس اتمی با وضوحی بی‌سابقه نشان می‌دهد، بلکه پتیکوگرافی الکترونی را به عنوان مرز جدیدی در میکروسکوپی معرفی می‌کند.

تیم ژانگ اکنون قصد دارد بررسی کند که لرزش‌های حرارتی در حضور نقص‌ها و مرزهای ساختاری چگونه تغییر می‌کنند گامی کلیدی به‌سوی طراحی موادی با ویژگی‌های گرمایی، الکترونیکی و نوریِ سفارشی.

چنین سطحی از کنترل می‌تواند مسیر را برای پیشرفت‌هایی در زمینه‌ رایانش کوانتومی، تراشه‌های کم‌مصرف و حسگرهای مقیاس نانو هموار کند.