اخبار – اصطلاح دی سولفید مولیبدن ممکن است برای برخی از رانندگان و مکانیک ها آشنا به نظر برسد. جای تعجب نیست: ماده ای که شیمیدان آمریکایی آلفرد سونتاگ در دهه 1940 کشف کرد، امروزه هنوز به عنوان روان کننده بسیار مؤثر در موتورها و توربین ها و همچنین برای پیچ ها و پیچ ها استفاده می شود. این به دلیل ساختار شیمیایی خاص این ماده جامد است که لایه های جداگانه مواد آن به راحتی نسبت به یکدیگر جابجا می شوند. با این حال، دی سولفید مولیبدن (از نظر شیمیایی MoS2) نه تنها به خوبی روان‌کاری می‌کند، بلکه می‌توان یک لایه اتمی از این ماده را لایه‌برداری کرد یا به صورت مصنوعی در مقیاس ویفر رشد داد. جداسازی کنترل شده تک لایه MoS2 تنها چند سال پیش به دست آمد، اما در حال حاضر پیشرفتی در علم مواد با پتانسیل تکنولوژیکی بسیار زیاد محسوب می شود. اکنون تیم Empa می خواهد دقیقاً با این دسته از مواد کار کند.
ساختار لایه‌ای لایه‌های اتمی منفرد این ماده را برای فیزیکدانان در جستجوی مواد هسته‌ای برای نانوکامپیوترهای نسل بعدی جالب می‌کند. MoS2 – و بستگان شیمیایی آن به نام دی‌کالکوژنیدهای فلزات واسطه (TMDs) – یکی از “ستاره‌های تیرانداز” اصلی در طیف وسیعی از مواد دو بعدی (2 بعدی) هستند. TMD ها نیمه هادی های دو بعدی هستند و دارای یک شکاف باند مستقیم هستند، اما فقط به صورت یک لایه، که آنها را به ویژه برای مدارهای مجتمع مینیاتوری پیشرفته یا آشکارسازهای نوری جذاب می کند. خواص مکانیکی کوانتومی قوی مواد دو بعدی نیز به شدت برای استفاده در مترولوژی کوانتومی، رمزنگاری کوانتومی و فناوری اطلاعات کوانتومی مورد بررسی قرار گرفته است.
اما نه تنها مواد اساسی مهم است، بلکه به ویژه توانایی کنترل عیوب در آنجا مهم است: مشابه دوپینگ شیمیایی نیمه هادی های “کلاسیک” در مدارهای مجتمع یا یون های خارجی در لیزرهای حالت جامد، نقص اتمی “مثل یخ روی کیک است”. شولر گفت: “به ویژه در مواد دو بعدی.
کامپیوترهای کوانتومی نازک اتمی؟
محقق Empa می‌خواهد نقص‌های اتمی در TMDها را با استفاده از نوع جدیدی از ابزار مشخص کند و مناسب بودن آنها را به‌عنوان تابش‌کننده‌های کوانتومی بررسی کند. تابشگرهای کوانتومی رابط بین دو جهان را تشکیل می دهند: اسپین الکترون – آنالوگ مکانیکی کوانتومی گشتاور الکترونی – که برای پردازش اطلاعات کوانتومی مناسب است و فوتون ها، به عنوان مثال. ذرات نوری که می توانند برای انتقال اطلاعات کوانتومی در فواصل طولانی بدون از دست دادن استفاده شوند. مواد دوبعدی این مزیت بزرگ را ارائه می‌دهند که مقیاس‌های انرژی مربوطه بسیار بزرگ‌تر از مواد سه‌بعدی هستند، بنابراین انتظار می‌رود که این فناوری بتواند در محیط‌های برودتی – به طور ایده‌آل حتی در دمای اتاق نیز استفاده شود. علاوه بر این، عیوب باید روی سطح مواد 2 بعدی قرار گیرند و پیدا کردن و دستکاری آنها را بسیار آسان تر می کند.
اما ابتدا باید عیوب لایه دو بعدی MoS2 شناسایی و خواص الکترونیکی و نوری آنها به طور دقیق بررسی شود. دقت در این مورد به این معنی است که مکان بررسی شده با دقت یک آنگستروم بررسی شده است. برای مقایسه: 1 آنگستروم برابر با 4 سانتی متر فاصله زمین تا ماه (400000 کیلومتر) است. و عکس فوری مورد استفاده برای ثبت برانگیختگی الکترونیکی نقطه کوانتومی باید تا یک پیکوثانیه (ps) دقیق باشد – 1 ps در مقایسه با سن سیاره زمین (5 میلیارد سال) به اندازه کسری از ثانیه 2 روز است. سپس این اندازه‌گیری‌های بسیار کوتاه و دقیق اتمی، تصویر بسیار دقیقی از فرآیندهای دینامیکی در مقیاس اتمی و عواملی که بر آن فرآیندها تأثیر می‌گذارند، ارائه می‌دهند.
دستگاهی که از دو نیمه ساخته شده است
دستگاهی که آزمایش‌ها در آن انجام خواهد شد، قبلاً در اتاقی در زیرزمین ساختمان آزمایشگاه Empa در دوبندورف قرار دارد – جایی که کف آن پایدارترین است. برونو شولر توضیح می‌دهد: «ما بیش از یک سال و نیم در کار آماده‌سازی و توسعه برای تکمیل تنظیمات آزمایشی خود سرمایه‌گذاری کردیم. در اکتبر 2022، ما دو نیمه سیستم خود را به هم وصل کردیم و توانستیم برای اولین بار جریان های القا شده توسط امواج نور را اندازه گیری کنیم. اصل کار می کند! یک نقطه عطف بزرگ در این پروژه.”
دو نیمه ای که تیم شولر اکنون با آنها کار خواهد کرد، از یک سو، یک میکروسکوپ تونل زنی روبشی (STM) است. یک نوک بسیار نازک برای اسکن سطح اتمی نمونه استفاده می شود. دانشمندان نوک را در محل نقص قرار می دهند، به عنوان مثال. یک جای خالی یا اتم “خارجی” در ساختار.
سپس نیمه دوم سیستم، که همکار شولر، جوناس آلربک، ایجاد کرد، وارد عمل می‌شود: یک لیزر مادون قرمز 50 واتی، پالس‌های لیزری فوق‌کوتاه را روی یک کریستال غیرخطی لیتیوم نیوبات می‌فرستد. این یک پالس الکترومغناطیسی پایدار فاز در محدوده فرکانس تراهرتز تولید می کند. این پالس فقط یک نوسان نوری است و می‌تواند با اپتیک‌های خاص به یک جفت پالس پمپ و پروب تقسیم شود – هر دو با تاخیر متغیر به دنبال یکدیگر می‌آیند و می‌توانند دینامیک الکترون را به روش استروبوسکوپیک اندازه‌گیری کنند.
الکترون به محل نقص “پرش” می کند
سپس دو پالس به STM فرستاده شده و به نوک پروب هدایت می شوند. اولین پالس یک الکترون را از نوک خارج می کند، که به محل نقص لایه دو بعدی MoS2 “پرش” می کند و الکترون ها را در آنجا تحریک می کند. شولر توضیح می‌دهد: «این می‌تواند یک بار الکتریکی، یک تحریک اسپین، یک ارتعاش شبکه‌ای یا یک جفت الکترون-حفره باشد که ما در آنجا ایجاد می‌کنیم». با پالس دوم، چند پیکوثانیه بعد مشاهده می‌کنیم که محل نقص ما چگونه به پالس تحریک پاسخ می‌دهد و بنابراین می‌توانیم فرآیندهای ناهمدوسی و انتقال انرژی در بستر را مطالعه کنیم.
بنابراین، شولر یکی از معدود متخصصانی در جهان است که وضوح زمانی پیکوثانیه را با روشی ترکیب می‌کند که می‌تواند اتم‌های منفرد را «دیدن» کند. این تیم از محلی سازی ذاتی حالات در سیستم مواد دو بعدی استفاده کرد تا تحریکات را به اندازه کافی در یک مکان نگه دارد تا قابل تشخیص باشد. محقق Empa می‌گوید: «میکروسکوپ کاوشگر اسکن امواج نوری فوق‌سریع، بینش‌های شگفت‌انگیز جدیدی را در مورد فرآیندهای مکانیکی کوانتومی در مقیاس اتمی امکان‌پذیر می‌سازد، و مواد دوبعدی یک پلت‌فرم ماده منحصربه‌فرد برای ایجاد این حالت‌ها به شیوه‌ای کنترل‌شده هستند».
کمک هزینه راه اندازی ERC
برونو شولر و تیمش، متخصص اپتیک، یوناس آلربیک و دانشجوی دکترا، لیساندر هوبریچ، که روی میکروسکوپ تونل زنی روبشی کار می‌کردند، با بودجه شورای تحقیقات اروپا حمایت می‌شوند. کمک هزینه شروع ERC از دانشمندان جوان با استعداد به خصوص لیگ قهرمانان جامعه تحقیقاتی اروپا حمایت می کند. شولر بهترین پیشینه را با خود به ارمغان آورد: او فیزیک را در ETH زوریخ خواند و دکترای خود را در زادگاه میکروسکوپ تونل زنی روبشی، آزمایشگاه تحقیقاتی IBM در Rüschlikon گذراند. او به عنوان یک دانشجوی فوق دکترا و سپس به عنوان رهبر گروه در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی در ایالات متحده، اولین تحقیق خود را بر روی مواد دو بعدی انجام داد و یک تیم تحقیقاتی بین المللی را هماهنگ کرد.
او اکنون می خواهد از این تجربه برای تقویت و توسعه بیشتر Empa به عنوان مرکز تحقیقاتی نانوتکنولوژی کوانتومی استفاده کند. شولر می‌گوید: «ما این امتیاز را داریم که با این پروژه زمینه علمی جدیدی را ایجاد کنیم و برای اولین بار چیزهایی را مشاهده کنیم که هیچ‌کس قبلاً ندیده است. در Empa، گروه تحقیقاتی برونو شولر بخشی از آزمایشگاه nanotech@surfaces به رهبری رومن فازل است. این گروه مشهور بین المللی تحقیقاتی را در مورد اثرات کوانتومی در نانوساختارهای آلی و معدنی با ابعاد کم انجام می دهد که می تواند پایه ای برای نسل بعدی کامپیوترهای کوانتومی باشد.
