محققان یک تیم تحقیقات بین‌المللی با ایجاد ساختار مارپیچی در گرافن سه‌لایه، ماده‌ای دوبعدی با خواص مغناطیسی غیرمنتظره ایجاد کردند که می‌تواند به عنوان بستری جدید برای مطالعه رفتار مواد در سطح کوانتومی مورد استفاده قرار گیرد.
کشف ساختار مارپیچی جدید در گرافن سه‌لایه؛ پنجره‌ای نو به دنیای مواد کوانتومی
تیمی از پژوهشگران دانشگاه‌های MIT، پرینستون، آزمایشگاه ملی شتاب‌دهنده SLAC و مؤسسه ملی علوم مواد ژاپن، موفق به ایجاد ماده‌ای دوبعدی و فوق‌نازک با خواص مغناطیسی غیرمعمول شده‌اند. این ماده که از سه لایه گرافن با چیدمان مارپیچی تشکیل شده است، رفتار الکترون‌ها را در سطح کوانتومی تغییر داده و امکان مطالعه پدیده‌های جدید در فیزیک مواد را فراهم می‌کند.
این تحقیق که تحت هدایت پابلو خاریو-هررو از MIT انجام شده است، نشان می‌دهد که با چرخش سه لایه گرافن در زاویه‌ای مشخص، ساختاری شبیه به مارپیچ DNA ایجاد می‌شود. این ساختار مارپیچی منجر به تشکیل الگوهای مویر (moiré) می‌گردد که رفتار الکترون‌ها را تحت تأثیر قرار می‌دهد.
سِرخیو دِ لا باررا، یکی از نویسندگان اصلی این مطالعه و استادیار دانشگاه تورنتو، توضیح می‌دهد: «الگوهای مویر طیف سطوح انرژی در دسترس الکترون‌ها را تغییر داده و شرایط را برای ظهور پدیده‌های جالب فراهم می‌کنند.»
در این تحقیق، ساختار مارپیچی گرافن سه‌لایه دو الگوی مویر ایجاد می‌کند که با هم ترکیب شده و یک ابرمویر (supermoiré) تشکیل می‌دهند. لی-کیائو شیاء، دانشجوی دکترای فیزیک MIT و یکی دیگر از نویسندگان اصلی این مطالعه، می‌گوید: «این نتایج مانند یک سلسله‌مراتب مویر است. در حالی که دو الگوی مویر اولیه در مقیاس نانومتری هستند، ابرمویر در مقیاس صدها نانومتر ظاهر می‌شود.»
یکی از یافته‌های شگفت‌انگیز این تحقیق، مشاهده خاصیت مغناطیسی مداری در دمای منفی ۲۶۳ درجه سانتیگراد بود که بالاترین دمای گزارش‌شده برای مواد مبتنی بر کربن محسوب می‌شود. این خاصیت مغناطیسی به دلیل حرکت الکترون‌ها ایجاد شده و با شکست تقارن در سیستم مرتبط است.
آویرام اوری، پژوهشگر فوق‌دکترای MIT و از نویسندگان اصلی این مطالعه، می‌گوید: «مشاهده این خاصیت مغناطیسی بسیار گیج‌کننده بود، زیرا سیستم ما باید تقارن خاصی می‌داشت که مانع از بروز چنین پدیده‌ای می‌شد. اما در نهایت دریافتیم که اتم‌ها در این سیستم به شکلی ظریف و هماهنگ حرکت می‌کنند که منجر به شکست موضعی تقارن می‌شود.»
این کشف نه‌تنها درک جدیدی از رفتار الکترون‌ها در سیستم‌های پیچیده ارائه می‌دهد، بلکه راه را برای طراحی مواد کوانتومی با خواص منحصر به فرد هموار می‌کند. خاریو-هررو در این باره می‌گوید: «این کار نشان‌دهنده تحولی جدید در حوزه “چرخش‌شناسی” (twistronics) است و جامعه علمی مشتاق است تا ببیند چه کشفیات دیگری با استفاده از این بستر مواد مارپیچی امکان‌پذیر خواهد بود.»
نتایج این مطالعه در نشریه Nature Physics منتشر شده است و می‌تواند زمینه‌ساز تحقیقات آینده در حوزه مواد کوانتومی و فناوری‌های نوین باشد.
