دو لایه رسانا از جنس کربن با هم یک عایق می سازند! - مجله ایرکا

به گزارش گروه دانشگاه خبرنگاران، قانون اهم در کلاس فیزیک شناخته شده است. این قانون می گوید که مقاومت یک رسانا و ولتاژ وارد شده به آن مشخص می نماید که چقدر مقدار جریان از میان آن عبور کند. الکترون های موجود در ماده به روشی نامنظم و تا حد زیادی مستقل از یکدیگر حرکت می نمایند. با این حال، هنگامی که حامل های بار به شدت بر یکدیگر تأثیر می گذارند، این رفتار دیگر ساده نیست.

به نام مثال، در گرافن دو لایه پیچ خورده که چند سال پیش کشف شد، این مورد وجود دارد. این ماده از دو لایه گرافن نازک ساخته شده که هر یک از یک لایه اتم کربن تشکیل شده است. اگر دو لایه مجاور نسبت به یکدیگر کمی پیچ خورده باشند، الکترون ها می توانند به گونه ای تحت تأثیر قرار گیرند که به شدت با یکدیگر تعامل داشته باشند. در نتیجه، این ماده می تواند ابررسانا گردد و جریان را بدون هیچ گونه تلفاتی راهنمایی کند.

گروهی از محققان به سرپرستی کلاوس انسلین و توماس آهن در آزمایشگاه فیزیک حالت جامد در ETH زوریخ، به همراه همکارانش در دانشگاه تگزاس در آستین، اکنون حالت تازهی را در لایه های پیچیده دوگانه گرافن مشاهده نموده اند. در آن حالت، الکترون های دارای بار منفی و حفره های دارای بار مثبت، آنقدر با یکدیگر در ارتباط هستند که این مواد دیگر جریان الکتریکی را راهنمایی نمی نمایند.

پیتر ریکهاوس، از محققان این پروژه، شرح می دهد: در آزمایش های معمولی که در آن لایه های گرافن نسبت به یکدیگر تا حدود یک درجه پیچ خورده اند، تحرک الکترون ها تحت تأثیر تونل مکانیک کوانتومی بین لایه ها قرار می گیرد. در این آزمایش تازه، ما دو لایه گرافن را بیش از دو درجه نسبت به یکدیگر می پیچانیم، به طوری که الکترون ها اساساً دیگر نمی توانند بین دو لایه تونل بزنند.

در نتیجه، با اعمال میدان الکتریکی، می توان الکترون ها را در یکی از لایه ها و حفره را در لایه دیگر ایجاد کرد. هر دو الکترون و حفره می توانند جریان الکتریکی را راهنمایی نمایند. بنابراین، می توان انتظار داشت که دو لایه گرافن با هم یک رسانای بهتر را با مقاومت کوچکتر تشکیل دهند. با این حال، تحت شرایط خاصی، دقیقاً عکس آن ممکن است اتفاق بی افتد.

همان طور که فولکر دو وریس شرح می دهد: اگر میدان الکتریکی را طوری تنظیم کنیم که تعداد الکترون ها و حفره های یکسانی در دو لایه قرار گیرند، مقاومت ناگهانی به شدت افزایش می یابد.

برای چندین هفته، انسلین و همکارانش نتوانستند این نتیجه شگفت انگیز را درک نمایند، اما پایان همکار نظری آن ها، آلن اچ. مک دونالد از آستین به آن ها نکته ای قاطع داد. طبق گفته مک دونالد، آن ها نوع تازهی از موج چگالی را مشاهده نموده بودند.

امواج چگالی بار معمولاً در رسانا های تک بعدی هنگامی که الکترون های موجود در مواد، جریان ایجاد نمایند و از نظر مکانی به صورت امواج قرار می گیرند، به وجود می آیند. در آزمایشی که به وسیله محققان ETH انجام شد، اکنون این الکترون ها و حفره ها هستند که با جذب الکترواستاتیک با یکدیگر جفت می شوند؛ بنابراین یک موج چگالی جمعی را تشکیل می دهند. با این حال، این موج چگالی از زوج الکترون-حفره که از نظر الکتریکی خنثی است، تشکیل شده است، به طوری که دو لایه که با هم گرفته شوند دیگر نمی توانند جریان الکتریکی را راهنمایی نمایند.

لازم به ذکر است؛ نتایج این پروژه در نشریه Science منتشر شده است.