ไขความลับควอนตัมที่ซ่อนอยู่ของกราไฟต์

อัปเดตล่าสุด 8 ก.ย. 2566

นักวิจัยค้นพบศักยภาพของกราไฟต์ที่ก้าวล้ำ โดยใช้ twistronics ปรับแต่งคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ในรูปแบบ 2D และ 3D ซึ่งเผยให้เห็นเอฟเฟกต์ผีเสื้อของ Hofstadter 2.5D การค้นพบนี้ยังปูทางไปสู่การควบคุมทางอิเล็กทรอนิกส์ในวัสดุต่าง ๆ อีกด้วย

ปฏิวัติประสิทธิภาพ EDM: ค้นพบพลังของ Graphite Electrode โดย MST Corporation Thai

วันที่ 27 กรกฎาคม 2023 เว็บไซต์ Phys.org เผยแพร่บทความเรื่อง “การผสมระหว่างพื้นผิวมัวเรและสถานะเป็นกลุ่ม: การจับภาพผีเสื้อของ Hofstadter ด้วยวัสดุที่เก่าแก่ที่สุดชิ้นหนึ่งของโลก” ซึ่งมีเนื้อหาสำคัญดังนี้

นักวิจัยจากสถาบันกราฟีนแห่งชาติของมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ (National Graphene Institute) ได้ค้นพบความก้าวหน้าในการทำความเข้าใจกราไฟต์ ซึ่งเป็นหนึ่งในวัสดุที่เก่าแก่ที่สุดในโลก กราไฟต์ประกอบด้วยชั้นอะตอมของคาร์บอนที่เรียงตัวกันเป็นรูปรวงผึ้ง ชั้นเหล่านี้สามารถซ้อนกันได้ต่างกัน ส่งผลให้ได้กราไฟต์หลายประเภท กราไฟต์ธรรมชาติส่วนใหญ่จะมีการเรียงซ้อนเป็นหกเหลี่ยม ซึ่งทำให้เป็นเรื่องปกติ โครงสร้างผลึกมีรูปแบบซ้ำ ๆ แต่รูปแบบนี้เปลี่ยนแปลงที่พื้นผิว ทำให้เกิดสิ่งที่เรียกว่า 'สถานะพื้นผิว'

ทีมวิจัยใช้เทคนิคที่เรียกว่า twistronics ซึ่งเป็นการซ้อนคริสตัล 2D สองตัวที่มุมบิดเพื่อเปลี่ยนคุณสมบัติของโครงสร้าง สิ่งนี้จะสร้างรูปแบบมัวเรที่อินเทอร์เฟซ คล้ายกับวิธีที่กล้องคาไลโดสโคปสร้างภาพที่เปลี่ยนแปลงตลอดเวลา ศาสตราจารย์ Artem Mishchenko ขยายเทคนิคนี้ไปสู่กราไฟต์สามมิติ และค้นพบว่าศักย์ของมัวเรไม่เพียงส่งผลต่อสภาพพื้นผิวเท่านั้น แต่ยังส่งผลต่อสเปกตรัมอิเล็กทรอนิกส์ทั่วทั้งผลึกกราไฟต์จำนวนมากอีกด้วย

ในการศึกษานี้ นักวิจัยได้ตรวจสอบรูปแบบของมัวเรในกราไฟต์หกเหลี่ยมจำนวนมากที่สร้างขึ้นโดยการจัดแนวให้ตรงกับโบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยม การค้นพบที่น่าสนใจที่สุดคือการสังเกตการผสมของพื้นผิวและสถานะมวลในกราไฟต์ 2.5 มิติ ส่งผลให้เกิดเอฟเฟกต์ควอนตัมฮอลล์แบบเศษส่วนรูปแบบใหม่ที่เรียกว่าผีเสื้อของฮอฟสตัดเตอร์ 2.5D

ศาสตราจารย์ Mishchenko ซึ่งก่อนหน้านี้ได้ค้นพบเอฟเฟกต์ควอนตัมฮอลล์ 2.5 มิติในกราไฟต์ ตั้งข้อสังเกตว่าแม้เราจะมีความรู้เกี่ยวกับลำดับการเรียงซ้อนและการจัดแนวที่แตกต่างกันของกราไฟต์ แต่วัสดุยังคงมีความเป็นไปได้มากมายที่ยังไม่ได้สำรวจ

Ciaran Mullan ผู้เขียนรายงานฉบับนี้เน้นย้ำว่างานของพวกเขาไม่เพียงแต่เปิดช่องทางใหม่ในการควบคุมคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ในวัสดุ 2 มิติ แต่ยังรวมถึงวัสดุ 3 มิติด้วย

ศาสตราจารย์ Vladimir Fal'ko ผู้อำนวยการสถาบันกราฟีนแห่งชาติ อธิบายว่าเอฟเฟกต์ฮอลล์ควอนตัม 2.5D ที่ผิดปกติในกราไฟต์เกิดขึ้นจากการทำงานร่วมกันของปรากฏการณ์ฟิสิกส์ควอนตัมที่รู้จักกันดีสองประการ ได้แก่ การหาปริมาณของ Landau และการจำกัดควอนตัม ซึ่งนำไปสู่ควอนตัมอีกประเภทหนึ่ง

ทีมงานกำลังวิจัยกราไฟต์ต่อไปเพื่อทำความเข้าใจวัสดุที่น่าสนใจอย่างไม่คาดคิดนี้ให้ลึกซึ้งยิ่งขึ้น