یه خبر خیلی جالب از دنیای علم براتون دارم! یه تیم از پژوهشگرها توی دانشگاه کالیفرنیا و دانشگاه کاسل آلمان اومدن رو سیلیکون (که همون عنصر معروف تو الکترونیک و صنعت پنل خورشیدی و چیپ‌های کامپیوتره) یه آزمایش خفن انجام دادن و با استفاده از لیزر تونستن جلوی آب شدن فوق سریع اون رو بگیرن!
خب اول بگم اصلاً فاز این آزمایش چی بود: وقتی یه لیزر قدرتمند و فوق سریع رو سیلیکون بزنی، اتم‌هاش طوری به هم می‌ریزن که کل ساختار بلوری‌ش می‌تونه تو زمان فوق‌العاده کوتاهی (در حد کسری از یک تریلیونیم ثانیه!) ذوب بشه. این کار رو تو علم بهش میگن «ذوب غیرحرارتی» یا همون “non-thermal melting” یعنی ساختار اتم‌ها قبل اینکه حتی محیط گرم شه به هم می‌ریزه.
تا حالا همیشه این مشکل بوده که دانشمندها نمی‌دونستن وقتی لیزر کار می‌کنه دقیقاً این تغییرات بخاطر گرماست یا اینکه اتم‌ها مستقیماً دارن از شدت پالس لیزر جا‌به‌جا می‌شن. اما حالا این گروه با یه تکنیک جدید، یه جواب باحال پیدا کردن!
اینا اومدن لیزر رو به جای یک پالس، به دو تا پالس خیلی دقیق تقسیم کردن. جالبیش اینه که بین این دوتا پالس فقط ۱۲۶ فمتوثانیه فاصله بوده! (فمتوثانیه یعنی 0.000000000000001 ثانیه، یعنی چشم رو هم بذاری و باز کنی تموم شده! 😄)
اینو با مدل‌سازی‌های فوق پیشرفته کامپیوتری (که اسمش ab initio molecular dynamics هست و یعنی شبیه‌سازی رفتار اتم‌ها و الکترون‌ها بر اساس اصول بنیادی فیزیک) انجام دادن.
نتیجه؟ پالس اول لیزر، شروع می‌کنه به حرکت دادن اتم‌ها، اما پالس دوم درست زمانی که باید، وارد عمل می‌شه و این حرکت رو قفل می‌کنه، یعنی نمی‌ذاره اتم‌ها کامل به هم بریزن و ساختار کریستالی کاملاً ذوب شه! انگار که دکمه “فریز” رو بزنی!
خود تیم تحقیقاتی میگن با این کار یه حالت جدید و موقتی به اسم “فاز شبه‌پایدار” یا “metastable” ساختن؛ که این حالت بیشتر ویژگی‌های الکترونیکی سیلیکون اولیه رو حفظ می‌کنه، فقط یه مقدار فاصله‌ی نواری (band gap) — که عامل اصلی در رسانایی برق تو مواد نیمه‌هادی هست — کمی کمتر شده. اگر نمی‌دونی فاصله نواری یعنی چی: اگه الکترون‌ها رو بخوای حرکت بدی باید انرژی مشخصی بهشون بدی تا برن به “باند هدایت” و بتوانن جریان برق رو برسونن، فاصله این دوتا باند همون band gap هست.
یه نکته جالب دیگه هم اینکه تو این حالت شبه‌پایدار، ارتعاشات اتمی (که بهشون فونون phonon میگن — فونون همون حرکت یا لرزش‌های خیلی ریز اتم‌ها تو ماده هست) خنک‌تر و پایدارتر از چیزی بودن که قبلاً انتظار می‌رفت، یعنی انگار با پالس دوم لیزر، اتم‌ها حسابی ثابت و آروم مونده بودن!
این کار نشون می‌ده که می‌شه با زمان‌بندی دقیق لیزر، رفتار اتم‌ها رو تو زمان‌های خیلی کوتاه کنترل کرد و جلوی تغییر فاز سریع رو گرفت یا حتی فاز جدید ساخت.
جالب‌تر اینکه این روش فقط محدود به سیلیکون نیست و دانشمندها معتقدن تو مواد دیگه‌ای که رفتار مشابهی دارن هم جواب می‌ده. حتی می‌تونه به ساخت فازهای جدید مواد یا طراحی دقیق‌تر آزمایش‌های مربوط به انتقال انرژی بین الکترون‌ها و اتم‌ها کمک کنه.
خلاصه، این تکنیک نه‌تنها باعث می‌شه بتونیم بهتر بفهمیم تو دل مواد زیر لیزر چه خبره، بلکه دنیای جدیدی از کنترل مواد رو هم باز می‌کنه. باید منتظر باشیم ببینیم در آینده با این تکنولوژی چه کارهای خفنی می‌تونن بکنن! این تحقیق توی ژورنال Communications Physics منتشر شده.
منبع: +
