اکسایتون ها و مغناطیس: هم افزایی برای تحقق فناوری کوانتومی مقیاس پذیر

فناوری کوانتومی با مشکل مقیاس‌پذیری دست و پنجه نرم می‌کند، زیرا خواص ویژه مواد کوانتومی معمولاً در ساختارهای بزرگتر از بین می‌رود.

محققان اکنون راهی برای حفظ خواص کوانتومی در مواد سه بعدی با استفاده از محصور کردن مغناطیسی پیدا کرده‌اند. کار آنها بر روی اکسایتون‌ها – ذرات شبه حامل انرژی – متمرکز است که معمولاً در مواد ماکروسکوپیکی ناپایدار هستند، اما می‌توانند با استفاده از خواص مغناطیسی برمید سولفید کروم محصور شوند.

غلبه بر مشکل مقیاس در فناوری کوانتومی

فناوری کوانتومی با یک چالش بزرگ روبروست — خواص تعریف‌کننده‌اش فقط در مقیاس بسیار کوچک عمل می‌کنند. رفتارهای منحصر به فرد مشاهده شده در سطح زیر اتمی تمایل دارند در ساختارهای بزرگتر ناپدید شوند. این امر، اعمال قابلیت‌های پیشرفته حسگری و ارتباطی آنها را در سیستم‌های دنیای واقعی مانند دستگاه‌های نوری و محاسبات کوانتومی دشوار می‌کند.

اکنون، تیمی از فیزیکدانان دانشگاه ایالتی پن و دانشگاه کلمبیا یک روش پیشگامانه برای حفظ این اثرات کوانتومی، حتی در مواد سه بعدی (3D)، توسعه داده‌اند. یافته‌های آنها امروز (19 فوریه) در نشریه Nature Materials منتشر شد.

چالش حفظ خواص کوانتومی

“اگرچه قابلیت‌های نمایش داده شده توسط مواد دو بعدی (2D) بسیار زیاد است و پتانسیل آنها انقلابی است، حفظ خواص برتر آنها فراتر از حد دو بعدی، همچنان یک چالش بزرگ است.”، این گفته‌ی یینمینگ شائو، استادیار فیزیک در دانشگاه ایالتی پن و نویسنده اول این مطالعه است. این مواد – که اغلب کریستال‌هایی با ضخامت فقط یک اتم هستند – کاربردهای گسترده‌ای دارند، از الکترونیک انعطاف‌پذیر گرفته تا ذخیره‌سازی انرژی و فناوری‌های کوانتومی.

“بنابراین، تحقق، درک و کنترل محصور شدن در مقیاس نانو برای اکتشاف فیزیک کوانتومی و فناوری‌های کوانتومی آینده بسیار مهم است.”

اکسایتون‌ها: کلید پیشرفت فناوری کوانتومی

این تیم، ذرات شبه‌ذره‌ای موسوم به اکسایتون‌ها را که خواص نوری منحصر به فردی دارند. و می‌توانند انرژی را بدون بار الکتریکی حمل کنند، در یک ماده نیمه‌رسانا بررسی کردند. نیمه‌رساناها – که در رایانه‌ها، تلفن‌ها و سایر وسایل الکترونیکی رایج هستند – تحت شرایط خاصی الکتریسیته را هدایت می‌کنند و تحت شرایط دیگر آن را مهار می‌کنند. اکسایتون‌ها زمانی تولید می‌شوند که نور به یک نیمه‌رسانا برخورد می‌کند و به یک الکترون انرژی می‌دهد تا به سطح انرژی بعدی بپرد. الکترون برانگیخته حاصل و حفره‌ای که از خود به جای گذاشته است، مشترکاً به عنوان یک اکسایتون شناخته می‌شوند. اکسایتون‌ها به طور همگن در نیمه‌رساناهای سه بعدی معمولی، مانند سیلیکون، رخ می‌دهند.

شائو توضیح داد: “اما انرژی پیوندی برای اکسایتون‌ها در مواد ماکروسکوپیکی مانند سیلیکون معمولاً کوچک است. به این معنی که خیلی پایدار نیست و مشاهده آن آسان نیست.” و افزود که اکسایتون‌ها پایدارترین هستند و خواص برتری را فقط در تک‌لایه‌های دو بعدی نشان می‌دهند.

محدودیت‌های تولید مواد دو بعدی به روش مرسوم

روش مرسوم برای تهیه مواد دو بعدی در سال ۲۰۰۴ توسعه یافت و منجر به کشف گرافن، تک لایه کربنی شد که بسیار رسانا و قوی‌تر از فولاد است. این فرآیند ساده، اما پرزحمت است، زیرا هر لایه باید با استفاده از یک تکه نوار چسبنده از یک کریستال ماکروسکوپیکی جدا شود و کنده شود.

در این حالت نازک، دو بعدی، اکسایتون‌ها می‌توانند انرژی را بدون بار حمل کنند. و همچنین هنگام ترکیب مجدد الکترون و حفره خود، نور ساطع کنند، که به گفته شائو برای کاربردهای نوری پیشرفته مفید است. با این حال، برای حفظ این خواص در موادی به اندازه کافی بزرگ برای چنین کاربردهایی، محققان باید تعداد زیادی لایه تولید کنند.

استفاده از مغناطیس برای حفظ خواص کوانتومی

برای انجام این کار بدون جدا کردن و چیدن هر لایه به صورت دستی، محققان به جنبه دیگری از فیزیک روی آوردند: مغناطیس. به طور خاص، آنها بر روی برمید سولفید کروم (CrSBr)، یک نیمه هادی مغناطیسی لایه ای که نویسنده همکار خاویر روی، استاد شیمی دانشگاه کلمبیا، از سال ۲۰۲۰ به طور گسترده در مورد آن تحقیق کرده و آن را توسعه داده است، تمرکز کردند.

در دمای اتاق، CrSBr مانند سیلیکون به عنوان یک نیمه هادی معمولی عمل می کند. خنک کردن CrSBr تا حدود -۲۲۳ درجه فارنهایت، آن را به حالت پایه یا حالت کمترین انرژی می رساند. این امر آن را به یک سیستم ضد فرومغناطیسی تبدیل می کند، که در آن ممان های مغناطیسی – که معمولاً به عنوان “اسپین” شناخته می شوند – ذرات سیستم در یک الگوی منظم و تکراری قرار می گیرند.

به طور خاص برای CrSBr، این ترتیب ضد فرومغناطیسی تضمین می کند که هر لایه، تراز مغناطیسی خود را تغییر می دهد. به طور موثر یک ممان مغناطیسی را خنثی می کند و ماده را نسبت به نیروهای مغناطیسی خارجی حساس نمی کند. در نتیجه، اکسایتون‌ها تمایل دارند در لایه‌ای با اسپین مشابه باقی بمانند، به جای اینکه به لایه‌های مجاور با اسپین‌های مخالف بپرند. مانند ماشین‌ها در خیابان‌های یک‌طرفه متناوب، این مرزهای ایجاد شده، اکسایتون‌ها را در لایه‌ای که جهت اسپین مشابهی با آن دارند، محصور نگه می‌دارند.

شائو گفت: “این یک رویکرد مؤثر برای ایجاد یک لایه از ماده اتمی بدون جدا کردن آن است، در حالی که همچنان یک رابط تیز حفظ می‌شود.” “این بدان معناست که می‌توانیم به همان رفتار اکسایتون‌های محصور شده که در مواد دو بعدی نشان داده شده است، در یک ماده ماکروسکوپیکی دست یابیم.”

تأیید تجربی محصور شدن مغناطیسی

محققان با استفاده از تکنیک‌های طیف‌سنجی نوری، مدل‌سازی و محاسبات نظری، تعیین کردند که این محصور شدن مغناطیسی، صرف نظر از اینکه چند لایه در سیستم وجود داشته باشد و صرف نظر از اینکه کدام لایه را محصور کرده‌اند، از جمله لایه‌های سطحی، محکم و ثابت است.

شائو گفت: “ما کارهای زیادی انجام دادیم تا بررسی کنیم که آیا این واقعاً درست است یا خیر، و درست بود.”

یافته‌های تیم شائو توسط گروه تحقیقاتی دیگری از آلمان – فلوریان دیرنبرگر و الکسی چرنیکوف از دانشگاه صنعتی TUD درسدن – که در حال بررسی همین ویژگی عجیب نیمه‌رساناهای مغناطیسی بودند، تأیید شد. شائو گفت که دو گروه تصمیم گرفتند یادداشت‌های خود را مقایسه کنند و دریافتند که همگی به نتیجه یکسانی رسیده‌اند.

شائو گفت: “داده‌های ما واقعاً به خوبی با هم همخوانی دارند، که قابل توجه است زیرا ما از دو ماده کریستالی مختلف در آزمایشگاه‌های مختلف استفاده کردیم.” “نتایج ما با یکدیگر سازگارند و به خوبی با پیش‌بینی‌های نظری همخوانی دارند، بنابراین این مقاله مشترک را نوشتیم.”

عصر جدیدی برای فناوری کوانتومی

به گفته شائو، نتیجه همسو از بهره‌برداری از رفتارهای مغناطیس، برهم‌کنش‌های واندروالس و اکسایتون‌ها به دست آمد تا محصور شدن کوانتومی با پتانسیل کاربرد برای پیشرفت سیستم‌های نوری و فناوری‌های کوانتومی حاصل شود.

شائو گفت: “پیوند این جنبه‌های مختلف فیزیک، جنبه‌ای حیاتی از این کشف بود.”

پیشنهاد مطالعه: تکنیکی جدید برای مشاهده‌ی دنیای کوانتومی الکترون ها

Magnetically confined surface and bulk excitons in a layered antiferromagnet by Yinming Shao, Florian Dirnberger, Siyuan Qiu, Swagata Acharya, Sophia Terres, Evan J. Telford, Dimitar Pashov, Brian S. Y. Kim, Francesco L. Ruta, Daniel G. Chica, Avalon H. Dismukes, Michael E. Ziebel, Yiping Wang, Jeongheon Choe, Youn Jue Bae, Andrew J. Millis, Mikhail I. Katsnelson, Kseniia Mosina, Zdenek Sofer, Rupert Huber, Xiaoyang Zhu, Xavier Roy, Mark van Schilfgaarde, Alexey Chernikov and D. N. Basov, 19 February 2025, Nature Materials.

DOI: 10.1038/s41563-025-02129-6