مواد کوانتومی، در اختیار الکترونیک و حسگری
برای پنج دهه است که قانون مور در مورد کوچک شدن ابزارهای الکترونیکی مصداق داشته است، اما ساخت نسل جدید ابزارهای الکترونیکی نیازمند استفاده از ترکیباتی همچون مواد کوانتومی است. مواد کوانتومی و پیشرفت‌های اخیر در زمینه مواد کوانتومی است موضوعی است که دانشمندان در نشست سالیانه روز مواد در موسسه فناوری ماساچوست (MIT) به آن پرداخته‌اند. در ادامه با برخی از این مواد بیشتر آشنا می‌شویم
خانواده جدیدی از مواد کوانتومی شامل گرافن، بور نیترید هگزاگونالی و مولیبدن دی‌سولفید و مراکز خالی نیتروژنی در الماس طلایه‌دار تحقیقات علمی هستند. این مواد به دلیل خصوصیات الکترونیکی، نوری و مغناطیسی نامتعارف خود و همچنین به دلیل پتانسیل کاربردی در اندازه‌گیری، پردازش اطلاعات و حافظه مورد توجه قرار گرفته‌اند.
تامسون در نشست سالیانه روز مواد در MIT به‌عنوان مدیر MPC می‌گوید:« اگرچه این مواد ضرورتاً پایه و اساس برای یک جابجایی فناوری نیستند اما به طور حتم پایه و اساس یک فناوری تکمیلی برای فناوری مدارهای ادغامی امروزی هستند.»
اسپین‌ترونیک‌های الماسی برای کاربردهایی همچون تصویربرداری نانومغناطیسی، ژیروسکوپ‌ها و پردازش اطلاعات کوانتومی بسیار نویدبخش هستند. درحالیکه الماس خالص از اتم‌های کربن تشکیل شده است، اما یک ناخالصی که نقص جاخالی نیتروژنی نامیده می‌شود، می‌تواند در شبکه الماس ایجاد شود. این ناخالصی سبب می‌شود تا رنگ الماس به صورتی تبدیل شود. مراکز رنگ جاخالی نیتروژنی دارای خصوصیات کوانتوم/اسپین‌ترونیکی هستند و می‌توانند این خصوصیات را تا چندین ثانیه در دمای اتاق حفظ کنند.
تعبیه کردن مواد دوبعدی درون اشیائی که از آنها استفاده می‌کنیم یا آنها را می‌پوشیم نیز فرصت‌های بیشماری برای الکترونیک فراهم می‌سازد؛ کاغذدیواری‌ها و میزهای الکترونیکی برای شارژ کردن ابزارهایی همچون گوشی‌های همراه، سقف‌هایی منور که می‌توانند به‌جای سیستم روشنایی متداول استفاده شوند و غیره مثال‌هایی از این دست هستند. پالاسیوس می‌گوید: « ما به‌تازگی با استفاده از CVP موفق به رشد گرافن تک‌لایه‌ای بر روی فویل مسی شده‌ایم و یک سیستم روباتیک برای انتقال گرافن به تمام بسترها شامل کاغذ و پوشاک گسترش و توسعه داده‌ایم. گرافن 200 برابر مستحکم‌تر از استیل است و نسبت به هر فلز دیگر، رسانایی الکتریکی بیشتری دارد.»
محققان نشان داده‌اند که لایه‌های گرافن و بور نیترید هگزاگونالی منجر به ایجاد یک الگوی موج‌دار می‌شوند و دارای یک گاف انرژی الکترونیکی هستند. این الگوی موج‌دار که از طریق همپوشانی ساختارهای لانه‌زنبوری از این مواد بسیار نازک ایجاد می‌شود، با زاویه پیچش لایه گرافن/بونیترید هگزاگونالی تغییر می‌کند و بنابراین گاف انرژی آنها با تغییر زاویه پیچش ساختار کریستالی آنها تغییر می‌کند. این محققان همچنین موفق به ساخت نازک‌ترین دیود با استفاده از مواد نیمه‌هادی شدند. این دیود تنگستن دی‌سلنید می‌تواند به عنوان یک آشکارساز نوری و یک LED عمل کند.
موادی همچون بیسموت‌سلنید به عنوان عایق‌های توپولوژی شناخته می‌شوند، زیرا بالک آنها عایق الکتریسیته است اما لبه‌ها هادی جریان الکتریسیته است. اگر بر روی سطح آن جریان الکتریکی اعمال کنید، می‌توانید یک واکنش مغناطیسی دریافت کنید و برعکس. با توجه به این اثر می‌توان به کاربردهایی همچون حافظه سوویچینگ و غیره فکر کرد. این محققان برای اندازه‌گیری الکترون‌های سطحی در یک عایق توپولوژی، لیزرهای فوق‌سریع نوری را با طیف‌سنجی نشرنوری زاویه ثابت (ARPES) ادغام کردند. این محققان نشان دادند که فوتون‌ها با الکترون‌ها تشکیل هیبرید می‌دهند و باندهای هیبریدی فوتون-الکترون را تشکیل می‌دهند که برای تمام اهداف کاربردی همانند باندهای حقیقی رفتار می‌کنند. تحقیقات بیشتر نشان داد که نور قطبی‌شده مدور سبب شکست تقارن زمان-معکوس می‌شود و باعث باز شدن یک گاف‌انرژی در مواد می‌شود.
محققان دانشگاه هاروارد یک حسگر جدید بر پایه الماس ابداع کردند که برای اندازه‌گیری میدان‌های مغناطیسی و گیراندازی ساختار و بار که مورد علاقه محققان حوزه محاسبات هستند، مناسب است. این گروه تحقیقاتی این کشف را در ارتباط با کشف مجدد تصویربرداری رزونانس مغناطیسی برای نانومقیاس می‌دانند.
به‌دلیل اندازه کوچک بسیاری از مواد جدید همچون گرافن ورقه‌ای، مقدار کافی از نمونه برای استفاده در بسیاری از ابزارهای اندازه‌گیری متداول دردسترس نیست. این محققان از علوم اطلاعات کوانتومی برای ساخت این حسگر برای تشخیص میدان‌های مغناطیسی استفاده کردند. یعقوبی استاد فیزیک دانشگاه هاروارد می‌گوید:« اگر کوبیت‌ها نسبت به محیط خود بسیار حساس هستند، چرا از آنها به عنوان حسگر محیط استفاده نکنیم؟. تشخیص اولیه به صورت نوری و کنترل از طریق میکروموج‌ها صورت می‌پذیرد.
به گزارش فناوری های همگرا،ما یک روش بسیار ساده برای مقایسه اینکه کدام سیگنال مرتبط با عدم قطعیت است، داریم و باعث حساسیت روش می‌شود.» با استفاده از یک نوک روبشی، تیم تحقیقاتی او تصویر یک اسپین الکترون استاتیک را در فضا رسم کردند. این ابزار جدید می‌تواند برای تحقیق نقص‌ها در مواد، سطوح مشترک بین مواد و اسپین‌های هسته‌ای درون جامدات استفاده شود.
No tags for this post.
