زاویه­ ی جادویی گرافن پیچ­ خورده

گرافن، ماده­ ای دو بعدی که منحصراً از کربن تشکیل شده­ است، خواص فوق العاده­ای از جمله رسانایی حرارتی و الکتریکی، شفافیت و انعطاف­پذیری را آشکار کرده­است. هنگامی­که این ویژگی­ها در عصر صفحات لمسی و وسایل الکترونیکی انعطاف­پذیر ترکیب شوند، بسیار جالب می­شوند. پروفسور Jean-Christophe Charlier، متخصص فیزیک نانوسکوپی در انستیتوی ماده متراکم و علوم نانو UCLouvain، توضیح می­دهد: "برخلاف مواد سه بعدی، ارتفاع گرافن به بُعد نهایی اتم کاهش یافته­است. بنابراین این یک سطح اتم کربن است."

در پژوهشی که در Nature منتشر شد، پژوهشگر و تیم او، رفتار الکترون­ها را وقتی­که دو لایه گرافن در زاویه ­ی ۱/۱ درجه (که به اصطلاح "زاویه جادویی" نامیده می­شود) اثر moiré ایجاد می­کنند، تشریح کردند. این اثر نوری که برای عکاسان، نقاشان و متخصصان مد بسیار شناخته شده ­است، شامل یک شکل است که از حوزه­های تاریک و روشن تشکیل شده­ است و ناشی از روی هم قرار گرفتن دو شبکه است. پروفسور Charlier می­گوید: "هنگامی که دو لایه گرافن با این زاویه جادویی روی هم قرار می­گیرند، باعث ایجاد ابررسانایی می­شوند. بنابراین آن­ها الکتریسیته را بدون هیچ گونه مقاومتی هدایت می­کنند. "

این ویژگی برای انتقال برق بدون اتلاف انرژی بسیار مفید است. "ما نشان دادیم که دو صفحه گرافن که به این ترتیب پیچ خورده­اند، برهم کُنش می­کنند و منجر به تجدید ساختار اتم­ها در حوزه ­هایی می­شوند که الکترون­ها محبوس شده و در فضا قرار دارند." با این حال، طبق تعریف، الکترون­ها تمایل دارند از یکدیگر دور شوند و توسط بارهای منفی مربوطه دفع می­شوند. " برای محدود کردن کُنش خود، الکترون­ها می­توانند با ترازکردن اسپین خود که به آن­ها خواص مغناطیسی می­دهد، یا با ایجاد یک عایق یا با هم برای تولید ابررسانایی، سازمان یابند." این آخرین موردی است که در مورد گرافن دو لایه پیچ خورده در زاویه جادویی رخ می­دهد. علاوه ­براین، پژوهشگران نشان داده­ اند که فونون­ها، ذرات اتمی که مسئول ارتعاشات مواد جامد هستند نیز در حوزه­هایی که توسط گرافن پیچ خورده ایجاد شده است، به دام افتاده ­اند. 

سنتز مواد دو بعدی جدید و مشاهده خواص خارق العاده­ای که می­توان از آن­ها به دست آورد، باعث شده ­است که این ایده یک روز بتواند سازه ­هایی با ویژگی­های مورد نظر "آجر به آجر" ایجاد کند یا برای به دست آوردن دانش بدست آمده از مواد ساده مانند گرافن، به مواد پیچیده تر، که امکان کنترل یا عملکرد بهتر سیستم­ های ابررسانا در زندگی روزمره را فراهم می­آورد. به عنوان مثال، سیم­ پیچ ­های ابررسانا در قطارهای شناور مغناطیسی ژاپن (Maglev) که از بالای ریل­ها حرکت می­کنند، یا آهنربای ابررسانا در تجهیزات تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (MRI). 

گردآورندگان: دکتر آدرینه ملک خاچاطوریان- مهندس ریحانه گودرزی
منبع:  https://nano-magazine.com/news/۲۰۲۱/۲/۲۴/the-magic-angle-of-twisted-graphene