นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ในสหราชอาณาจักรได้ระบุกลุ่มควอซิพิเคิลใหม่ใน superlattices ที่ทำจากกราฟีนประกบระหว่างแผ่นโบรอนไนไตรด์สองแผ่น งานนี้มีความสำคัญสำหรับการศึกษาขั้นพื้นฐานเกี่ยวกับฟิสิกส์ของสสารควบแน่นและอาจนำไปสู่การพัฒนาทรานซิสเตอร์ที่ปรับปรุงแล้วซึ่งสามารถทำงานได้ที่ความถี่สูง ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักฟิสิกส์และนักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุได้ศึกษา
วิธีการใช้การประกบแบบอ่อน (van der Waals)
ระหว่างชั้นผลึกที่บางของอะตอมเพื่อสร้างวัสดุใหม่ที่สามารถควบคุมคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ได้โดยไม่ต้องใช้สารเคมีเจือปน ตัวอย่างที่มีชื่อเสียงที่สุดคือ กราฟีน (แผ่นคาร์บอนที่มีความหนาเพียงอะตอมเดียว) ที่ห่อหุ้มระหว่างวัสดุ 2 มิติอีกชนิดหนึ่ง คือ โบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยม (hBN) ซึ่งมีค่าคงที่ขัดแตะที่คล้ายกัน เนื่องจากวัสดุทั้งสองมีโครงสร้างหกเหลี่ยมคล้ายกัน รูปแบบมัวร์ปกติ (หรือ “โครงตาข่ายพิเศษ”) ก่อตัวขึ้นเมื่อมีการซ้อนทับโครงตาข่ายทั้งสอง
หากชั้นที่ซ้อนกันของกราฟีน-hBN บิดเบี้ยว และมุมระหว่างโครงตาข่ายของวัสดุทั้งสองลดลง ขนาดของ superlattice จะเพิ่มขึ้น สิ่งนี้ทำให้ช่องว่างของแถบอิเล็กทรอนิกส์เกิดขึ้นจากการก่อตัวของแถบ Bloch เพิ่มเติมในโซน Brillouin ของ superlattice (โครงสร้างทางคณิตศาสตร์ที่อธิบายแนวคิดพื้นฐานของแถบพลังงานอิเล็กทรอนิกส์) ในแถบ Bloch เหล่านี้ อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ในศักย์ไฟฟ้าเป็นระยะที่ตรงกับโครงตาข่ายและไม่มีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน
ผีเสื้อของฮอฟสแตดเตอร์ ในปี 2013
ทีมแมนเชสเตอร์นำโดยAndrei GeimและAlexey Berdyuginพร้อมด้วยกลุ่มอิสระสองกลุ่มที่สถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์และมหาวิทยาลัยโคลัมเบียในสหรัฐอเมริกา สังเกตเห็นรูปแบบเศษส่วนที่น่าทึ่งในแผนภาพความหนาแน่นของอิเล็กตรอนเทียบกับความแรงของสนามแม่เหล็กในกราฟีนเหล่านี้- hBN superlattices รูปแบบนี้เรียกว่า “ผีเสื้อของ Hofstadter” เกิดขึ้นเมื่อทีมงานกำหนดสเปกตรัมพลังงานของ superlattices โดยการวัดค่าการนำไฟฟ้าในสนามแม่เหล็กแรงสูงถึง 17 เทสลา
นักวิจัยในแมนเชสเตอร์รายงานพฤติกรรมที่น่าประหลาดใจอีกอย่างหนึ่งของอิเล็กตรอนในโครงสร้างดังกล่าว อีกครั้งภายใต้สนามแม่เหล็กแรงสูง “เป็นที่ทราบกันดีว่าในสนามแม่เหล็กศูนย์ อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่เป็นแนวเส้นตรง และหากคุณใส่สนามแม่เหล็ก พวกมันจะเริ่มโค้งงอและเคลื่อนที่เป็นวงกลม ซึ่งจะลดการนำไฟฟ้าลง” Julien BarrierและPiranavan Kumaravadivelสมาชิก ในทีมอธิบาย ออกจากงานทดลอง “ในชั้นกราฟีนที่สอดคล้องกับ hBN อิเล็กตรอนจะเริ่มโค้งงอ แต่ถ้าคุณตั้งค่าสนามแม่เหล็กที่ค่าเฉพาะ การนำไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ราวกับว่าอิเล็กตรอนเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงอีกครั้ง เหมือนกับในโลหะที่ไม่มีสนามแม่เหล็กอีกต่อไป”
นวนิยาย Brown-Zak quasiparticlesพฤติกรรมดังกล่าว “แตกต่างอย่างสิ้นเชิงจากฟิสิกส์ในตำราเรียน” กุมารวาดิเวลกล่าว และเขาและเพื่อนร่วมงานเชื่อว่าพฤติกรรมดังกล่าวเกิดจากการก่อตัวของควอซิอนุภาคแบบใหม่ซึ่งเป็นตัวแทนของสถานะโลหะประเภทใหม่ quasiparticles เหล่านี้รู้จักกันในชื่อ Brown-Zak fermions และจากข้อมูลของ Berdyugin พวกมันเคลื่อนที่ด้วยความเร็วขีปนาวุธที่รวดเร็วเป็นพิเศษตลอดโครงสร้าง graphene-hBN แม้จะมีสนามแม่เหล็กที่สูงมาก นี่เป็นเพราะไม่เหมือนกับอิเล็กตรอนที่หมุนด้วยวงโคจรเชิงปริมาณในที่ที่มีสนามแม่เหล็ก เฟอร์มิออน Brown-Zak ทำตามวิถีโคจรตรงยาวหลายสิบไมครอนในสนามแม่เหล็กสูงถึง 16 ตัน
ภายใต้สภาวะเฉพาะ (นั่นคือ เมื่อใดก็ตามที่
‘รัศมีไซโคลตรอน’ ของเฟอร์มิออนเป็นค่าคงที่ของตาข่ายมัวร์หลายเท่า) เราพบว่าควอซิพิเคิลที่เคลื่อนที่เร็วรู้สึกว่าไม่มีสนามแม่เหล็กที่มีประสิทธิภาพ” Barrier บอกกับPhysics World
นัยสำหรับวิศวกรรมอุปกรณ์กราฟีนที่ใช้ในการเตรียมอุปกรณ์ของทีมแมนเชสเตอร์นั้นบริสุทธิ์มาก ซึ่งทำให้ผู้ให้บริการชาร์จภายในเครื่องสามารถเคลื่อนที่ได้หลายล้านซม. 2 /Vs ความสามารถในการเคลื่อนที่สูงดังกล่าวบ่งบอกว่าตัวพาประจุไฟฟ้าสามารถเดินทางตรงผ่านอุปกรณ์ทั้งหมดได้โดยไม่กระจัดกระจาย และเป็นที่ต้องการอย่างมากในการสร้างวัสดุ 2D เนื่องจากสามารถพัฒนาทรานซิสเตอร์ความถี่สูงพิเศษได้ โปรเซสเซอร์คอมพิวเตอร์ที่มีอุปกรณ์ประเภทนี้จะสามารถทำการคำนวณจำนวนมากขึ้นในระยะเวลาเท่ากัน ส่งผลให้เครื่องทำงานเร็วขึ้น
การสั่นของ Brown-Zak ในกราฟีน/hBN superlattices แฟร็กทัลที่น่าสนใจปรากฏในกราฟีน superlattices นักวิจัยกล่าวว่าเฟอร์มิออน Brown-Zak ที่พวกเขาสังเกตเห็นนั้นเป็นสถานะโลหะใหม่ที่ควรเป็นแบบทั่วไปสำหรับระบบ superlattice ใด ๆ ไม่ใช่แค่ graphene สิ่งนี้ทำให้การค้นพบของพวกเขามีความสำคัญสำหรับการศึกษาการขนส่งอิเล็กตรอนขั้นพื้นฐาน รวมถึงการอธิบายลักษณะและทำความเข้าใจอุปกรณ์ superlattice แบบใหม่โดยอิงจากวัสดุ 2 มิติอื่นที่ไม่ใช่กราฟีน
โทมัสและเพื่อนร่วมงานใช้เลเซอร์คลื่นต่อเนื่องในการทดลอง ซึ่งทำให้ระบุความถี่การกระตุ้นได้ง่ายขึ้น แต่ส่งผลให้มีกำลังเอาต์พุตต่ำ ในทางตรงกันข้าม ทีมของ Udem ได้ใช้ประโยชน์จากอุปกรณ์ที่เรียกว่าหวีความถี่ ทำให้เกิดการแผ่รังสีในวงกว้าง ซึ่งประกอบด้วยชุดของ “ฟัน” ที่แคบมากและเว้นระยะเท่ากัน ซึ่งช่วยให้สามารถแยกแยะความถี่ออกจากกันได้ ในเวลาเดียวกัน ความกว้างสเปกตรัมนี้นำไปสู่พัลส์ที่แคบมากชั่วขณะ ซึ่งจะช่วยเพิ่มความเข้มของรังสีอัลตราไวโอเลตและปรับปรุงสถิติเมื่อเทียบกับเลเซอร์แบบคลื่นต่อเนื่อง
ตามที่รายงานในScience Udem และเพื่อนร่วมงานที่ MPQ ได้ลดความไม่แน่นอนทางสถิติของพวกเขาให้อยู่เหนือระดับต่ำสุดที่กำหนดโดยหลักการความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก พวกเขายังลดผลกระทบที่เป็นระบบหลายอย่าง รวมถึงเสียงรบกวนที่เกิดจาก Doppler shift ซึ่งพวกเขาทำได้โดยใช้ฮีเลียมเหลวเพื่อทำให้อะตอมไฮโดรเจนเย็นลงเหลือสองสามองศาเหนือศูนย์สัมบูรณ์ เมื่อรวบรวมแหล่งที่มาของข้อผิดพลาดที่เป็นไปได้ทั้งหมด พวกเขาได้ความแม่นยำที่ดีกว่ากลุ่มปารีสเกือบสี่เท่า
Credit : balihai2007.com batterypoweredsystem.com blackrockemporium.com blaemuircottage.com bluemountainheart.net
