الکترون‌ها در گرافین رفتاری شبیه به نور دارند
هر بار که قانع می‌شویم گرافین نمی‌تواند خاصیت جذاب‌ِ دیگری را از خود نشان دهد، فیزیکدان‌ها با کشف خاصیت جدیدی از آن ما را غافل‌گیر می‌کنند. این بار دانشمندان برای اولین بار، مشاهده کردند که ذرات الکترون در این ماده‌ی نازک اتمی، رفتاری شبیه به نور دارند.
این رفتار عجیب الکترون‌ها، اولین بار در سال ۲۰۰۷ پیش‌بینی شد اما تا پیش از این، راهی برای اثبات آن پیدا نشده بود. در صورتی که از این پدیده می‌توان در ساخت ابزارهای فوق‌العاده کارآمد در حوزه‌ی الکترونیک استفاده کرد.
یک بررسی جدید نشان داده است که الکترون‌ها، انکسار منفی دارند - به این معنا که مسیر آن‌ها در هنگام عبور از مرز بین دو منطقه از گرافین تغییر پیدا می‌کند. در واقع می‌توان گفت که گرافین برای الکترون‌ها نقش یک دستگاه نوری، مانند لنز و منشور را ایفا کرده است.
"کوری دین" (Cory Dean) از دانشگاه کلمبیا و سرپرست این تحقیقات می‌گوید:
این موضوع که ماده‌ی رسانا بتواند با الکترون‌ها رفتاری مشابه نور نشان دهد، افق‌های فکری جدیدی را در دنیای الکترونیک باز خواهد کرد. برای مثال، سوییچ‌هایی که تراشه‌های کامپیوتری را تشکیل می‌دهند، عملیات روشن یا خاموش کردن کل دستگاه را امکان‌پذیر می‌کنند و این امر مستلزم مصرف مقدار قابل توجهی از انرژی است. در صورتی که اگر از عدسی‌ها برای هدایت اشعه‌ی الکترون در بین الکترودها استفاده شود، نتیجه به شکل چشمگیری، کارآمدتر خواهد بود و یکی از مشکلات مهم برای دستیابی به شرایط سریع‌تر و مقرون به صرفه‌تر در دنیای الکترونیک، حل خواهد شد.
گرافین در میان خواص جذاب دیگری که دارد، یک رسانای فوق‌العاده نیز محسوب می‌شود که می‌تواند الکترون‌ها را با سرعت بالا در ساختار کربنی خود به حرکت وادار کند. در این سرعت‌های بالا، الکترون‌ها می‌توانند در مسیر مستقیم و بدون هر گونه پراکندگی، درست مثل پرتوهای نور، به حرکت خود ادامه دهند و خواص نور-مانندی از خود پدیدار کنند.
یکی از معروف‌ترین ویژگی‌های نور آن است که در عبور از ماده‌ای به ماده‌ی دیگر تغییر جهت داده یا به اصطلاح شکسته می‌شود. به همین دلیل وقتی پاهای خود را در داخل آب فرو می‌برید، ظاهر عجیب و لرزانی در زیر آب از خود نشان می‌دهند و به همین دلیل برای هدایت و متمرکز کردن نور از ابزارهایی مثل لنز و منشور استفاده می‌کنیم.
مواد معمولی مانند شیشه، دارای ضریب شکست مثبت هستند. این به آن معنا است که آن‌ها نور را در جهتی که انتظار داریم منحرف می‌کنند، اما این امکان هم وجود دارد که ضریب شکست بعضی مواد منفی باشد و نور را در جهت مخالف منحرف کنند.
چنین پیامدهایی، به محققان اجازه می‌دهند تا با استفاده از شکستن نور اشیا را نامرئی کنند. در واقع، دانشمندان تا مدت‌ها به دنبال پدیده‌ی شکست منفی نور برای الکترون‌ها بودند و محققی به نام "آویک گاش" (Avik Gosh) توانست ممکن بودن این قضیه را ثابت کند. در حقیقت، الکترون‌ها، این رفتار شکست منفی را ساده‌تر از نور نشان می‌دهند.
بر خلاف نور که مهندسی کردن آن سخت است و نیاز به استفاده از فرامواد نوری دارد، الکترون‌ها بین مرز دو ماده‌ی مختلف رسانا که به عنوان اتصال p-n شناخته شده است، شکست منفی را نشان می‌دهند. p (یا بخش مثبت اتصال) بیان‌گر حفره و n (بخش منفی اتصال) بیان‌گر الکترون است. در تصویر زیر می‌توانید شکست منفی الکترون در هنگام عبور از مرز بین این دو نوع گرافین را مشاهده کنید:
در گذشته، محققان تنها قادر بودند تا شکست منفی الکترون‌ها را در موارد نادری چون دماهای فوق سرد مشاهده کنند که در الکترونیک مدرن کارآیی مفیدی نداشت. در حال حاضر، محققان دانشگاه کلمبیا همین پدیده را در مورد گرافین و در دمای اتاق مشاهده می‌کنند. این بدان معنا است که خواص نوری الکترون، موضوع جدیدی است که به تازگی وارد یافته‌های قرن بیست و یکم شده است.
با این حال، رسیدن به این نتیجه‌گیری، کار ساده‌ای نبود. در واقع دو مانع بزرگ در مسیر وجود داشت: نخست این که پژوهشگران مجبور بودند که یک گرافین فوق‌العاده تمیز را تولید کنند که هیچ‌گونه عیب ساختاری نداشته باشد تا مطمئن شوند مسیر الکترون‌ها مانند نور، مستقیم خواهد بود و در طول مسیر پراکنده نمی‌شوند.
در مرحله‌ی بعد، آن‌ها مجبور بودند تا نقشه‌ی دقیقی از مسیر عبور الکترون‌ها از اتصال p-n تهیه کنند. بنابراین آن‌ها توانستند به این نتیجه برسند که چطور می‌توان الکترون‌ها را در محل اتصال متمرکز کرد تا بتوانند شکست منفی را نشان دهند.
در نهایت آن‌ها توانستند که با استفاده از یک میدان مغناطیسی به عنوان نوعی لنز، بر الکترون‌های عبوری از اتصال p-n تمرکز کنند و انحراف مسیر آن‌ها را ببینید که این امر، تاییدی بر پیش‌بینی صورت گرفته در حدود ده سال پیش بود.
هنوز هم تا زمان استفاده از این خاصیت در زمینه‌ی الکترونیک، مسیر زیادی باقی مانده است. با این حال، کشف جدید می‌تواند کلیدی برای عملی کردن قابلیت‌های گرافین باشد. ماده‌ای که اگر چه پیش از این هم به عنوان یک رسانای فوق‌العاده شناخته شده است اما به سختی می‌توان جریان الکترون را در آن برقرار کرد.
در حال حاضر، تیم قصد دارد تا با استفاده از خاصیت کشف شده به دنبال راه حلی برای ایجاد جریان الکترون‌ها در داخل گرافین باشد. آویک در این خصوص می‌گوید:
در صورتی که این تلاش ها به موفقیت منجر شوند، ابزارهای سوییچ کم‌مصرف‌تر بوده و سرعت فوق‌العاده بالاتری چه در دستگاه‌های آنالوگ و چه در درستگاه‌های دیجیتال از خود نشان خواهند داد. ضمن این که با کاهش قابل توجهی در هزینه‌های انرژی و بودجه‌های حرارتی روبرو خواهیم شد.
نظرات