طبق مطالعات جدید محققان انگلیسی و روسی، دستیدگی یا «chirality» الکترون‌ها بر چگونگی شارش جریان در ترانزیستورهای گرافینی اثرگذار است. این یافته‌ی گروه می‌تواند به بهتر شدن ابزارهای الکترونیکی با پایه‌ی گرافین کمک کرده و حتی منجر به فناوری جدیدی با عنوان «کایرالترونیک» شود.

متروهای دستیده: الکترون‌ها بین دو تابع موج تونل می‌زنند

گرافین صفحه‌ای از اتم‌های کربن با ضخامت تنها یک الکترون است که در شبکه‌ای لانه زنبوری چیده شده‌اند. این ماده از این حیث منحصر به فرد است که هر الکترون در راستای شبکه‌ی صفحه با سرعت Km/s 1000 طوری نسبیتی حرکت می‌کنند که انگار جرم ندارند. به علاوه، این الکترون‌ها «کایرال» هستند یعنی یا «چپ دستند» یا «راست دست»- به عبارتی تصویر آینه‌ای همند. حالت‌های الکترونیکی‌ای که می‌توانند اشغال کنند هم دستیده هستند. اکنون، تیم انگلیسی-روسی چنین الکترون‌هایی را با بررسی نوع شارش جریان در نمونه‌ای متشکل از لایه‌ای از نیترید بروم (BN) به ضخامت چهار اتم، که بین دو لایه از گرافین قرار گرفته با جزئیات مطالعه کرده است. با اعمال ولتاژ به این مجموعه، می‌توان الکترون‌های بیشتری را به یکی از لایه‌های گرافین اضافه کرد به طوری که بار منفی پیدا کند و با خارج شدن الکترون از لایه‌ی دیگر، بار آن مثبت شود. لایه‌ی سد BN به قدری نازک است که الکترون‌ها در لایه‌های گرافین، می‌توانند با تونل زنی کوانتومی از آن گذشته و منجر به جریان الکتریکی شوند.

قانون انتخاب کوانتومی

لارنس ایوز Laurence Eaves از اعضاء تیم در دانشگاه‌های ناتینگهام و منچستر توضیح می‌دهد که در فرآیند تونل زنی، الکترون‌ها از «قانون انتخاب» کوانتومی تبعیت می‌کنند یعنی الکترون‌های راست دست ترجیح می‌دهند که به حالت‌های راست دست بروند در حالی که الکترون‌های چپ دست، حالت‌های چپ دست را برمی‌گزینند. همین فرآیند است که معلوم می‌کند قدرت تونل‌زنی در این ابزارها چقدر است. فرآیندهایی که الکترون‌های راست دست به حالت‌های چپ دست (و برعکس) تونل بزنند نادر هستند و سهم عمده‌ای در جریان ندارند. به گفته‌ی ایوز وقتی جریان را در ترانزیستور گرافینی با تغییر جهت ولتاژ اعمالی اندازه می‌گیریم، «کایرالیتی یا دستیدگیِ» الکترون‌های تونل‌زننده خود را به وضوح نشان می‌دهد. او می‌گوید ما می‌توانیم با اعمال یک میدان مغناطیسی قوی عمود بر صفحه‌ی لایه‌ی گرافین، اثر آن را با دقت بیشتری بررسی کنیم. این میدان حرکت الکترون‌ها را کوانتیزه کرده و منجر به نردبانی از ترازهای انرژی با فاصله‌های نابرابر می‌شود. اندازه‌گیری با میدان مغناطیسی قوی به پژوهشگران اجازه داد تا نشان دهند که انرژی، تکانه، اسپین و همچنین دستیدگی الکترون‌ها در فرآیند تونل‌زنی پایسته هستند. ایوز می‌افزاید «الکترونیک فناوری‌ای است که اطلاعات را با کنترل حرکت آزاد الکترون‌ها پردازش می‌کند در حالی که در اسپین‌ترونیک از اسپین هر الکترون و بار آن استفاده می‌شود. برای ما جالب است که بدانیم آیا دستیدگی الکترون‌ها در ابزارهای الکترونیکی بر مبنای گرافین می‌تواند در آینده به فناوری جدیدی به صورت کایرالترونیک منجر شود یا نه».

این تحقیق در Nature Physics به چاپ رسیده است.

منبع:

Chirality affects current flow in graphene transistors