اگه فکر می‌کردی همه جذابیت‌های دنیا فقط توی نور و الکترون‌ها خلاصه میشه، باید یه بار دیگه فکر کنی! چون یه گروه از محققای دانشگاه رایس (Rice University) یه کشف خفن کردن که می‌تونه آینده تکنولوژی‌های کوانتومی و حتی دستگاه‌های حسگر رو زیر و رو کنه.
ماجرا از این قراره که این گروه تونستن برای اولین بار تداخل خیلی قوی بین فونون‌ها رو نشون بدن. حالا فونون دقیقاً چیه؟ بذار ساده بگم: فونون همون “بسته کوچیک یا کوانتومیِ لرزش” توی مواد هست. یعنی مثل اینه که وقتی اتم‌ها توی جسمی تکون می‌خورن یا لرزش دارن، این انرژی و حرکت رو می‌تونیم به شکل فونون تصور کنیم. در واقع، فونون‌ها مسئول انتقال گرما و صدا توی مواد هستن.
اما اصل داستان اینه که این تداخل فونونی که پیدا کردن، دو برابرِ قدرتی هست که قبلاً کسی تونسته بود مشاهده کنه! این یه جورایی به کشف تداخل فانُو (Fano resonance) مربوط میشه. فانُو یعنی جایی که دو تا از این فونون‌ها با فرکانس‌های متفاوت با هم روی هم می‌افتن و یا انرژی‌شون تقویت میشه یا همدیگه رو خنثی می‌کنن – دقیقاً مثل وقتی که دو موج آب روی هم می‌افتن و بعضی‌جاها موج‌ها بزرگ‌تر یا کوچیک‌تر میشن.
جالب اینه که تا حالا همه دنبال این‌جور تداخل‌ها تو دنیای الکترون‌ها و فوتون‌ها بودن (فوتون یعنی همون ذره نور)، ولی کسی زیاد سراغ فونون‌ها نرفته بود. یکی از پژوهشگرا به اسم Kunyan Zhang گفته: “این فرصت خیلی بزرگیه؛ چون فونون‌ها نسبت به نور یا الکترون‌ها می‌تونن مدت زیادی حالت موجی خودشون رو حفظ کنن، و این یعنی می‌تونیم دستگاه‌هایی درست کنیم که پایدارتر و قوی‌تر باشن.”
حالا چطوری این کار رو انجام دادن؟ اومدن یه لایه نازک دو-بعدی فلزی (وقتی میگیم دو-بعدی یعنی ضخامتش خیلی کمه و در حد چند اتمه) رو روی یه قطعه سیلیکون کاربید گذاشتن. روششون اسمش هست «هترو اپیتکسی محدودشده» (confinement heteroepitaxy) که یعنی لایه‌ها رو خیلی تمیز و دقیق روی هم می‌چینن. چند لایه نازک نقره هم بین گرافن و سیلیکون کاربید جا دادن (گرافن همون ورق فوق‌العاده باریک از کربنه که کلی کاربرد داره).
اینطوری یه سطح مرزی خیلی جذب و خاص می‌سازن که خاصیت کوانتومی داره. این لایه فلزی باعث فعال شدن و تقویت شدید تداخل بین انواع لرزش توی سیلیکون کاربید میشه و تونستن رکورد بزنن!
برای اینکه بفهمن فونون‌ها چطور تداخل می‌کنن، از روشی به اسم رامان اسپکتروسکوپی استفاده کردن. رامان یعنی اندازه گرفتن نحوه ارتعاش یا لرزش مولکول‌ها و اتم‌ها با تابوندن نور و اندازه‌گیری انعکاسشون. نتیجه‌ش جالب بود: خطوط طیفی خیلی نامتقارن، و حتی بعضی جاها کامل فرو می‌رفت (نشونه‌ی آنتی‌رِزُنانس) که یعنی تداخل شدید وجود داره.
یه نکته باحال این بود که نوع تداخل، بستگی کامل به حالت سطح سیلیکون کاربید داشت. مثلاً سه مدل متفاوت سطح باعث شکل‌های کاملاً متفاوتی توی طیف رامان شد.
از اون بهتر: حتی حضور فقط یه مولکول رنگ (dye) روی سطح باعث تغییرات خیلی شدید توی طیف شدن! یعنی این روش انقدر حساسه که می‌تونه وجود یه مولکول رو هم تشخیص بده، اونم بدون اینکه نیاز باشه یه برچسب خاص به مولکول بزنی یا فرایند عجیب غریب انجام بدی!
جالبیش اینجاست که این تداخل واقعاً فقط به خاطر خود فونون‌هاست و هیچ ربطی به الکترون‌ها نداره؛ چیزی که تو سیستم‌های حجیم فلزی (bulk metals) اصلاً دیده نمیشه و فقط تو این ساختارهای دو-بعدی با لایه‌های خیلی نازک فلز رخ میده.
حالا دانشمندا دارن سراغ فلزای دیگه مثل گالیوم یا ایندیم هم میرن تا شاید بشه همین تداخل‌ها رو با جنس‌های مختلف و برای کاربردای جدیدتر بسازن.
یکی از استادای دانشگاه رایس (Shengxi Huang) میگه: “برخلاف سنسورهای معمولی، این روش ما خیلی حساسیت بالایی داره و نیاز به برچسب‌های شیمیایی یا دستگاه‌های خاص نداره.” یعنی هم ساده است، هم ارزون و هم قوی. از طرف دیگه، این کار فقط محدود به سنسور نمیشه؛ چون می‌تونیم از این فونون‌ها برای ساختن تکنولوژی‌های آینده تو انرژی، مدیریت گرما و سیستم‌های کوانتومی استفاده کنیم – جاهایی که کنترل لرزش و حرکت اتمی خیلی مهمه.
اگه کنجکاوی بدونی این تحقیقات توسط چه کسایی حمایت شده: بنیاد ملی علوم آمریکا، نیروی هوایی، بنیاد ولچ و دانشگاه تگزاس شمالی جزو حامی‌ها بودن و اصل مقاله هم توی مجله Science Advances منتشر شده.
در کل، میشه گفت با این کشف، دنیای مواد و تکنولوژی کوانتومی یه قدم بزرگ جلو افتاده. شاید خیلی زود سنسورهای فوق‌حساس یا کامپیوترهای آینده دقیقا با کمک همین فونون‌ها ساخته بشن!
منبع: +
