غرافين ثنائي الطبقة الملتوي

كمان ستراديفاريوس لا يمكن صنعه إلا من خشب نما في ظروف خاصة. لفترة طويلة، كان يُعتقد أن الغرافين اللازم للتأثيرات الكمومية الدقيقة يجب أن يُقشَّر بشريط لاصق من الجرافيت، وأن البلورة المُنمّاة في أنبوب الاختبار لا تقوى على ذلك. هذا العمل يُظهر: الغرافين المُنمّى من خليط غازي عزف مثل كمان ستراديفاريوس.

قفل باب بمفتاحين مختلفين: أحدهما يدور بسهولة، والآخر يتطلب جهدًا ملحوظًا. هكذا تتصرف طبقتان من نيتريد البورون السداسي عند تدويرهما بالنسبة لبعضهما. تتكون هذه المادة من ذرات البورون والنيتروجين مرتبة في شبكة سداسية، ويمكن لطبقاتها أن تستقر في أوضاع مختلفة، مثل شبكتين متطابقتين مزاحتين بزوايا مختلفة.

كمان ستراديفاريوس لا يمكن صنعه إلا من خشب نما في ظروف خاصة. لفترة طويلة، كان يُعتقد أن الغرافين اللازم للتأثيرات الكمومية الدقيقة يجب أن يُقشَّر بشريط لاصق من الجرافيت، وأن البلورة المُنمّاة في أنبوب الاختبار لا تقوى على ذلك. هذا العمل يُظهر: الغرافين المُنمّى من خليط غازي عزف مثل كمان ستراديفاريوس.

مجموعة أوراق لعب، كل بطاقة فيها ملتفة قليلًا، لا يمكن أن تستقر بشكل متساوٍ: فظهور البطاقات ورسوماتها لن تتطابق أبدًا. لكن إذا كانت البطاقات مرنة، فستبدأ في التكيف، منزلقة أجزاءً من المليمتر لإيجاد التطابق المثالي. شيء مشابه يحدث داخل البلورات عندما تُكدَّس طبقتان سميكتان من MoS2 أو MoS2 مع WS2 بزاوية 1–2 درجة. فشبكاتها الذرية، مثل نقوش البطاقات، تسعى إلى التطابق، ولتحقيق ذلك تزاح الذرات مكونة مناطق ذات ترتيب مثالي.

ثلاثة أصوات تندمج في وتر واحد. في فيزياء المواد الكمومية، يكتسب هذا التعبير معنى حرفيًا: ثلاث طبقات من الغرافين، مفصولة بفواصل رقيقة، تجعل الإلكترونات والثقوب من طبقات مختلفة تتحرك كسائل واحد. مكثف إكسيتوني هو حالة تتدفق فيها أزواج الإلكترون-ثقب دون مقاومة، وقد لوحظ سابقًا فقط في أنظمة ثنائية الطبقة.

تندفع المرآة بسرعة تقارب أربعين ألف كيلومتر في الثانية، أي حوالي ثمن سرعة الضوء. الضوء الذي يسقط عليها يرتدّ عائدًا، لكنه لم يعد كما كان: يزداد تردده، تمامًا كما تكتسب الكرة المضروبة بمضرب أثناء طيرانها طاقة إضافية. هذه هي المرآة التي بناها العلماء داخل خيط زجاجي رفيع مملوء بالهيدروجين. أولًا، يُطلق نبض ليزر قوي داخل الخيط.

في الممر الضيق، لا يسير الناس كحشد، بل في صفوف. عدد الصفوف يعتمد على عرض الممر. في الغرافين، يلعب التلامس النقطي الكمومي دور هذا الممر - وهو انقباض حيث تتحرك الإلكترونات باليستياً دون تشتت. بوابتان بفجوة 75 نانومتر تُنشئان هذا الممر، وبوابة ثالثة تغير عرضه، فتفتح أو تغلق الأنماط الكمومية - "صفوف" متقطعة للإلكترونات. كل نمط جديد يضيف درجة إلى الموصلية.

أنبوب الماء: كلما كان أوسع، مرّت كمية أكبر من الماء. وفي التلامسات فائقة التوصيل — وصلات جوزيفسون (جسور يمر عبرها التيار دون مقاومة) — الأمر عادةً كذلك: كلما كانت الموصلية أفضل في الحالة العادية، كان التيار فائق التوصيل المار عبرها أكبر.

في الطبقات الرقيقة من بلورة سيلينيد التنتالوم (TaSe₂) اكتُشفت خاصية تتحدى الفيزياء المألوفة. عندما أُدخلت ذرات ضيفة بين طبقات هذه المادة، فقد البنية مركز التناظر الانعكاسي — وظهرت في داخله موصلية فائقة بحماية غير عادية. عادةً، المجال المغناطيسي القوي يدمر الحالة فائقة التوصيل، ممزقًا أزواج كوبر — الحالات المرتبطة من الإلكترونات ذات اللفات المتعاكسة.

عادةً، لا يحوّل الضوء العازل إلى موصل؛ إذ يتطلب ذلك نبضات ليزر قوية تدمر بنية المادة. لكن في الغرافين ثنائي الطبقة الملتوي بالزاوية السحرية غرافين — وهو مادة مكوّنة من طبقتين من شبكة الكربون، تدور إحداهما بالنسبة للأخرى بزاوية خاصة — الأمر مختلف تمامًا.

ساندويتش رقيق من مادتين مختلفتين. يمرّ فيه تيار كهربائي — فتُنغّطِط القطعة العلوية في اتجاه، والسفلية في الاتجاه المعاكس. هذه ليست خدعة، بل تأثير إدلشتاين الطبقي (layer Edelstein effect)، الذي وصفه الفيزيائيون للتو. في الحياة العادية، يرتبط الكهرباء والمغناطيسية ارتباطًا وثيقًا، لكن التحكم في المغنطة بواسطة التيار ليس بالأمر السهل.

صفحتان من سيلينيد التنجستن — ليستا من الكربون، بل من مركب التنجستن مع السيلينيوم — تُدوران بالنسبة لبعضهما بزاوية صغيرة جدًا، حوالي 5 درجات. ينشأ نمط مواريه: شبكة دورية مكبرة، حيث تتصرف الإلكترونات بشكل مختلف تمامًا عن البلورة العادية. مؤخرًا، وُجدت موصلية فائقة في هذه الطبقات الملتوية.

في عالم المواد ثنائية الأبعاد، تولد أحياناً حالات غريبة بقدر ما هي هشة. إحداها — بلورة هول الشاذة الكسرية (FAHC) — أشبه بقنطور كمومي: نصفها شبكة منظمة، ونصفها سائل طوبولوجي.

مفتاح يعرف بنفسه إلى أين يتدفق. هكذا يعمل صمام جوزيفسون الثنائي (Josephson diode) — جسر فائق التوصيل يمر فيه التيار في اتجاه واحد عن طيب خاطر، بينما يصطدم في الاتجاه الآخر. في العمل الجديد، صُنع هذا الجسر من الغرافين — ورقة كربون بسماكة ذرة واحدة. ظهر التأثير عندما طُبّق مجال مغناطيسي ضعيف على الجهاز — بضع ميلي تسلا فقط.

سلك الهاتف الملتوي بشدة ينقطع وينثر الشرر. هكذا تسلك الحقول المغناطيسية على الشمس: تلتف، تنقطع، وتتصل مجدداً، مغذية الانفجارات. رأى الفلكيون هذه العملية مباشرة لأول مرة. كانت إحدى الحلقات ملتوية بزاوية 540 درجة — دورة كاملة ونصف. هذا أقوى بثلاث مرات مما كان يُعتقد أنه ممكن.

طبقتان رقيقتان للغاية، كل منهما بسماكة ذرة واحدة فقط، توضعان فوق بعضهما وتُلويان قليلًا. مثل ورقتين من ورق الكربون الملون: ما دامتا مستويتين، تكون الصورة واحدة، لكن بمجرد اللف يظهر نمط مواريه. هنا، النمط غير مرئي للعين، لكنه يغيّر تمامًا كيفية تعامل المادة مع الضوء.

إذا رصفت الأرضية بمثلثات متطابقة، ستحصل على نمط متكرر ممل. ولكن ماذا لو أردت نمطًا لا يتكرر أبدًا مع استخدام بلاطة واحدة فقط؟ لطالما اعتقد علماء الرياضيات أن هذا مستحيل؛ فأنت بحاجة إلى شكلين مختلفين على الأقل. فسيفساء بنروز الشهيرة هي مثال على ذلك: معينات بزوايا حادة ومنفرجة تشكل نمطًا متنوعًا بلا حدود لكنه منظم بدقة.

طبقتان رفيعتان كالورق من مادة شبه موصلة توضعان فوق بعضهما وتُلفان قليلاً — بزاوية تتراوح بين ثلاث وأربع درجات. الشبكات الذرية لا تتطابق، وينشأ نمط كبير — نمط موريه (moiré)، يشبه تموجات لوحين للغسيل مزيحين بزاوية صغيرة. في هذا النمط، تتحرك الإلكترونات بشكل مختلف تمامًا عن البلورة العادية.

كعكة طبقية من مستويات ذرية من النيكل والأكسجين — هكذا تُبنى النيكلات ثنائية الطبقة. فيها يفصل بين مستويين من هذا القبيل طبقة فاصلة. إذا جلست ذرة أكسجين في هذه الطبقة الفاصلة، فإنها تعمل كجسر: تربط الطبقات وتطلق حالة تتحرك فيها الإلكترونات دون مقاومة. أما إذا غاب الأكسجين، ينهار الجسر، وتظهر في المادة تموجات مغناطيسية — موجات كثافة السبين.

طبقات المادة الرقيقة الملتوية بالنسبة لبعضها تشبه شبكات متراكبة فوق بعضها. عند نقاط تقاطع الخطوط ينشأ نمط جديد — نمط مواريه (moiré). في هذا النمط تتحرك الإلكترونات بشكل مختلف عن البلورة العادية، وقد تشكّل حالات غير متوقعة. في العمل الجديد، أخذ الباحثون طبقتين من تيلوريد الموليبدينوم ولفّوهما بزاوية 4.8 درجة.

ورقة الغرافين هي شبكة من ذرات الكربون بسمك ذرة واحدة. إذا طُويت عدة أوراق مع إزاحة خاصة، نحصل على مادة بخصائص غير عادية: يمكن أن تكون مغناطيسًا أو موصلًا فائقًا اعتمادًا على طريقة التأثير عليها. المشكلة أن مثل هذه الطبقات "المزاحة بشكل صحيح" نادرة في الجرافيت الطبيعي، ومن الصعب زراعتها صناعيًا.

ورقة من تيلوريد التنغستن بسمك ذرة واحدة تشبه رقاقة رقيقة: لا تمر الإلكترونات عبرها لأن بين حالاتها الممكنة توجد فجوة طاقة محظورة — مثل خندق لا يمكن القفز فوقه. أضفنا طبقتين إضافيتين — واختفى الخندق، وأصبحت المادة معدنًا، وسار التيار. وعندما زاد عدد الطبقات، تغيرت الخصائص مرة أخرى، وكأن أحدهم يبدل الأوضاع بزر واحد.

الغرافين هو غشاء كربوني بسماكة ذرة واحدة بالضبط. صفيحتان من الغرافين موضوعتان فوق بعضهما مع دوران طفيف تتصرفان بشكل مختلف تمامًا عن الصفيحة المفردة. عند زاوية حوالي 1.1 درجة، تتباطأ الإلكترونات فيهما بشكل كبير لدرجة أن المادة قد تصبح موصلًا فائقًا أو عازلًا — اعتمادًا على الظروف. تُسمى هذه الزاوية "السحرية". المشكلة هي أن طي صفيحتين بدوران دقيق يدويًا شبه مستحيل.

تشبه الموصلية الفائقة رقصة الإلكترونات: فهي تتحرك في أزواج دون أن تفقد طاقتها. في الموصلات الفائقة التقليدية، تُحدد هذه الرقصة بسرعة الإلكترونات. لكن في الغرافين السحري - وهو عبارة عن طبقتين من الكربون ملفوفتين بالنسبة لبعضهما بزاوية قدرها 1.1 درجة - تكاد الإلكترونات أن تتجمد، والتيار الفائق فيها، كما اتضح، يعتمد على شيء آخر: الهندسة الكمومية.

كومة من الورق: إذا كانت الأوراق مكدسة بدقة فوق بعضها، يمر الضوء عبرها بشكل متساوٍ. لكن بمجرد إدارة ورقة بضع درجات، يتغير المشهد. هذا ما تفعله الطبقات في بعض المواد تقريبًا: أدرها بالنسبة لبعضها البعض — فتتغير الخصائص، وأحيانًا بشكل جذري. التحليل الطيفي لا علاقة له بالأمر — أو بالأحرى، ليس هو الأسلوب المستخدم. بنى العلماء جهازًا أطلقوا عليه اسم المجهر الكمومي للّف.

ورقة الغرافين هي شبكة من ذرات الكربون بسماكة ذرة واحدة. تظهر عليها أدق الشوائب، مثل ذرات الغبار على زجاج النظارات. قبل عشر سنوات، تعلم العلماء إخفاء الغرافين بين طبقات نيتريد البورون (boron nitride) — وكأنك تضع ورقة هشة بين قطعتين من غلاف بلاستيكي للطعام. ولكن حتى في هذا الغلاف بقيت شوائب مشحونة تعيق حركة الإلكترونات بحرية.

صفيحة الغرافين — وهي شبكة كربونية بسماكة ذرة واحدة — تحت شعاع ليزر قوي تتصرف مثل طريق يظهر فيه فجأة حاجز. الإلكترونات التي كانت تجري بحرية عبر المادة تصطدم بمنطقة محظورة: فجوة من الطاقات لا يمكنها تجاوزها. في السابق، كان هذا متوقعًا نظريًا، لكن لم يسبق رؤيته بالعين المجردة. مجموعة دولية من الفيزيائيين سلّطت على الغرافين نبضات ضوء قصيرة وقوية.

ورقتان من الجرافين — غشاء كربوني بسماكة ذرة واحدة — دون تدوير تشبهان ميناءً مزدحمًا بالمياه الضحلة: أيونات الليثيوم إما أن تعلق في المياه الضحلة وإما أن تمر مسرعة دون توقف. لكن التدوير بزاوية 9.43° يشق ممرًا ملاحيًا مثاليًا. أيونات الليثيوم كالسفن ترسو بأمان عند 'أرصفة' الكربون وتقلع فورًا دون إبطاء.

السلة المنسوجة من أغصان الصفصاف تحافظ على شكلها بفضل التشابك. نمط مشابه — مثلثات متشابكة في شبكة مسطحة — تم اكتشافه في بلورة جديدة صيغتها Cs₃V₉Te₁₃. هنا، تشكل ذرات الفاناديوم مجموعتين من المثلثات التي تخترق بعضها البعض، مثل الخيوط في النسيج. هذا النمط ليس جميلاً فحسب، بل يجعل الإلكترونات تتحرك على مسارات طاقة "مسطحة" خاصة.

ورقة الغرافين بسماكة ذرة واحدة تشبه شبكة معدنية مرنة تندفع عبرها الإلكترونات دون عوائق تقريبًا. اطوِ ورقتين منها مع إزاحة طفيفة، وستتغير خصائص المادة جذريًا: فقد تصبح عازلًا لا يمرر التيار. في العمل الجديد، أظهر الفيزيائيون أن هذا التبدل في الأدوار يمكن استدعاؤه بمجالات ضعيفة إذا أُخذ في الاعتبار عدم تماثل ضئيل في ترتيب الذرات.

تُلف ورقة الغرافين بسمك ذرة واحدة بزاوية صغيرة، فتبدأ بالتصرف مثل كعكة ذات طبقات، حيث تكون الطبقات مستدارة قليلاً بالنسبة لبعضها البعض. عند زاوية معينة من الدوران، تصبح هذه المادة موصلًا فائقًا: تبدأ الإلكترونات بالتحرك في أزواج، مثل الراقصين في رقصة الفالس، دون فقدان الطاقة. لكن ما يحدث بالضبط في الداخل ظل لغزًا حتى الآن.

بلورة سيلينيد البزموت (Bi₂Se₃) في حد ذاتها متناظرة، مثل شطيرة مرتّبة بدقة: اقلبها فلن يتغير شيء. ولكن بمجرد إمالة طبقة قليلاً بالنسبة للأخرى، ينكسر التناظر. تبدأ المادة في «الإحساس» من أي جهة يسقط الضوء، وتستجيب بتيار كهربائي. اختبر مؤلفو العمل ثلاث طرق لكسر التناظر: تدوير الطبقات بزاوية 21.78 درجة، إضافة عيب نقطي (إزالة ذرة سيلينيوم)، وتطبيق مجال كهربائي خارجي.

غالبًا ما تُبنى الدوائر فائقة التوصيل على وصلات جوزيفسون (Josephson junctions) — وهي أماكن يتدفق فيها التيار دون مقاومة عبر حاجز رقيق. عادةً ما يكون هذا الحاجز طبقة أكسيد، لكن من الصعب التحكم في خصائصها على المستوى النانوي. في العمل الجديد، يصبح الحاجز طبقة رقيقة من نيتريد النيوبيوم أو التيتانيوم، محصورة بين طبقات من النيوبيوم.

ورقة الغرافين بسماكة ذرة واحدة — مثل مفرش طاولة ناعم تمامًا تتدحرج عليه كرات إلكترونية. ضع حاجزًا كهربائيًا في مسار هذه الكرات — وعادةً سترتد إلى الخلف. لكن في الغرافين الأمر مختلف: في ظل ظروف معينة، تمر الإلكترونات عبر الحاجز دون أن تلاحظه، وكأنه جدار من الضباب. درس مؤلفو العمل الجديد نموذجًا ثنائي الأبعاد للإلكترونات في الغرافين تحت تأثير مجال كهربائي قابل للضبط.

طبقتان من مادة مغناطيسية، مكدستان بزاوية نسبية بكسور من الدرجة — مثل شبكتين منزاحتين قليلاً على نافذة. في الحالة العادية، لا تنتجان أي شيء مميز، لكن عند زاوية معينة من الدوران، تظهر في المادة تأثيرات غير متوقعة.

البزموت ثنائي الأبعاد على ركيزة سيليكونية مادة واعدة لإلكترونيات المستقبل. حوافه توصل التيار دون خسائر، مثل طريق سريع بلا إشارات مرور. لكن البزموت نفسه حساس: فالهواء والرطوبة يفسدان خصائصه بسرعة. وجد الكيميائيون حلاً: وضعوا البزموت تحت طبقة من الغرافين، وهي غشاء كربوني قوي بسماكة ذرة واحدة.

تضرب ومضة ليزر طبقة فضة بسماكة ذرة واحدة موضوعة على جرافين ثنائي الطبقة — وفي أجزاء من الكوادريليون من الثانية تنفتح فجوة في البنية الإلكترونية للجرافين لم تكن موجودة من قبل. الأمر كما لو أن سلكًا عاديًا يتحول للحظات إلى شبه موصل: تتوقف الإلكترونات عن التدفق بحرية وتظهر فجوة نطاق. السبب هو انتقال الشحنة بين الطبقتين.

في طبقات ملتوية بزاوية معينة من تيلوريد الموليبدينوم، تتصرف الإلكترونات بشكل غير عادي: فهي يمكن أن تنقسم إلى أجزاء. هذا يشبه ما لو بدأ فجأة تقطيع فطيرة كاملة إلى شرائح متساوية تمامًا، رغم أن السكين في يد واحدة. في المواد العادية، شحنة الإلكترون غير قابلة للانقسام، لكن في هذه الطبقات عند التبريد الشديد تظهر حالات تنقسم فيها الشحنة إلى ثلاثة أجزاء.

الموصل الفائق هو مادة يتدفق فيها التيار الكهربائي دون فقدان، مثل الماء في أنبوب أملس تمامًا. ولكن إذا نشأت دوامات فيه، يبدأ التيار في «التعثر» بهذه الاضطرابات الصغيرة. في الغرافين الملفوف بزاوية خاصة، يمكن إنشاء مثل هذه الدوامات ودراستها واحدة تلو الأخرى. بنى العلماء جهازًا يشبه جسرًا ضيقًا بين ضفتين فائقتين للتوصيل.

الجرس لا يطنّ بنغمة واحدة — بعد الضربة، تصدر عنه عدة نغمات توافقية في آن واحد. وبالمثل تقريبًا تهتز النواة الذرية: بعد التصادم، يمكن أن تتذبذب، وهذه التذبذبات تُرى من خلال أشعة غاما المنبعثة. لكن في نواة النيوبيوم-104، التي تحتوي على 41 بروتونًا و63 نيوترونًا، وُجدت نغمات توافقية أكثر مما كان متوقعًا.