دانشمندان گرافن بور پایدار ساختند؛ کشف حالت جدید کریستال مایع کوانتومی

گرافن سال‌هاست به‌عنوان یکی از امیدبخش‌ترین مواد برای نسل آینده تجهیزات الکترونیکی شناخته می‌شود، اما برهم‌کنش نسبتاً ضعیف بین الکترون‌های آن، دستیابی به پدیده‌هایی مانند ابررسانایی دمای بالا را با محدودیت روبه‌رو کرده است. اکنون گروهی از پژوهشگران دانشگاه توهوکو ژاپن با توسعه نسخه‌ای پایدار از گرافن بور (Boron Graphene) موفق شده‌اند یک حالت کوانتومی جدید را کشف کنند که می‌تواند راه را برای ساخت قطعات الکترونیکی سریع‌تر، کم‌مصرف‌تر و فناوری‌های کوانتومی نسل آینده هموار سازد. این پژوهش در تاریخ 2 ژوئیه 2026 در مجله معتبر Science Advances منتشر شده است.

چرا گرافن بور اهمیت دارد؟

در سال‌های اخیر، دانشمندان علاقه زیادی به بوروفن (Borophene) داشته‌اند؛ ورقه‌ای دوبعدی از اتم‌های بور که از نظر تئوری می‌تواند برهم‌کنش‌های الکترونی بسیار قوی‌تری نسبت به گرافن ایجاد کند.

این ویژگی احتمال مشاهده پدیده‌های کوانتومی جدید، از جمله:

• ابررسانایی در دماهای بالاتر
• مواد کوانتومی جدید
• تجهیزات الکترونیکی فوق کم‌مصرف

را افزایش می‌دهد. اما یک مشکل بزرگ وجود داشت؛ ساختار لانه‌زنبوری ایده‌آل بوروفن به‌شدت ناپایدار است و تاکنون تولید آن تقریباً غیرممکن بوده است.

راهکار متفاوت پژوهشگران دانشگاه توهوکو

به‌جای تلاش برای تولید مستقیم بوروفن، پژوهشگران از ماده‌ای به نام LaRh₃B₂ استفاده کردند. این بلور سه‌بعدی به‌طور طبیعی دارای لایه‌هایی از اتم‌های بور با آرایش لانه‌زنبوری است. محققان با آشکار کردن این لایه‌ها روی سطح بلور، موفق شدند بدون نیاز به ساخت یک ورقه مستقل از بور، یک سیستم دوبعدی پایدار با خواص گرافن بوری ایجاد کنند.

به گفته تاکافومی ساتو از مؤسسه پیشرفته تحقیقات مواد دانشگاه توهوکو:

به جای ساخت یک ورقه شکننده دوبعدی از اتم‌های بور، از ساختار طبیعی یک بلور سه‌بعدی استفاده کردیم که از قبل دارای شبکه لانه‌زنبوری بور بود و آن را روی سطح ماده نمایان ساختیم.

مشاهده پدیده Van Hove Singularity

پژوهشگران برای بررسی ساختار الکترونی این ماده از فناوری طیف‌سنجی نشر فوتوالکترون زاویه‌تفکیک‌شده (ARPES) در مراکز تابش سینکروترون استفاده کردند. نتایج نشان داد که در نزدیکی سطح فرمی (Fermi Level)، تراکم بسیار بالایی از الکترون‌ها وجود دارد؛ پدیده‌ای که با عنوان Van Hove Singularity شناخته می‌شود.

وجود این ناحیه اهمیت زیادی دارد زیرا:

• برهم‌کنش بین الکترون‌ها را به‌شدت افزایش می‌دهد.
• زمینه ایجاد فازهای کوانتومی جدید را فراهم می‌کند.
• احتمال ظهور ابررسانایی و سایر رفتارهای غیرعادی را افزایش می‌دهد.

کشف حالت «کریستال مایع الکترونیکی»

در مرحله بعد، پژوهشگران داده‌های ARPES را با نتایج میکروسکوپ تونلی روبشی (STM/STS) ترکیب کردند. مشاهدات نشان داد که الکترون‌ها به‌صورت خودبه‌خود در یک جهت مشخص هم‌راستا می‌شوند. در نتیجه، تقارن شش‌گانه شبکه بلوری شکسته شده و ماده وارد حالتی به نام Electronic Nematic State یا حالت نماتیک الکترونیکی می‌شود. در این حالت، رفتار الکترون‌ها مشابه مولکول‌های موجود در نمایشگرهای کریستال مایع (LCD) است؛ با این تفاوت که این پدیده در مقیاس کوانتومی رخ می‌دهد.

اهمیت ترکیب دو روش تصویربرداری

یکی از نکات برجسته این تحقیق، استفاده هم‌زمان از دو فناوری مکمل بود. ARPES محل ایجاد ناپایداری الکترونی را در فضای تکانه (Momentum Space) مشخص کرد. در مقابل، STM همان الگو را مستقیماً در فضای واقعی (Real Space) مشاهده کرد. به گفته کوسوکه ناکایاما، استادیار دانشکده علوم دانشگاه توهوکو:

هیچ‌یک از این دو روش به‌تنهایی قادر به ارائه تصویر کامل نبودند. ترکیب اطلاعات فضای تکانه و فضای واقعی به ما اجازه داد منشأ تشکیل حالت نماتیک الکترونیکی را شناسایی کنیم.

امکان طراحی مواد کوانتومی جدید

یکی دیگر از مزیت‌های خانواده بلوری LaRh₃B₂ این است که می‌توان بسیاری از عناصر شیمیایی موجود در آن را جایگزین کرد. این ویژگی به پژوهشگران اجازه می‌دهد:

• تعداد الکترون‌ها را تنظیم کنند.
• رفتار الکترونی ماده را کنترل کنند.
• مواد کوانتومی جدید با ویژگی‌های دلخواه طراحی نمایند.

این قابلیت می‌تواند روند توسعه:

• ابررساناهای نسل آینده
• رایانه‌های کوانتومی
• تجهیزات الکترونیکی فوق کم‌مصرف
• فناوری‌های ذخیره و انتقال انرژی

را به میزان قابل توجهی سرعت ببخشد.

جمع‌بندی

ساخت نسخه‌ای پایدار از گرافن بور یکی از مهم‌ترین پیشرفت‌های اخیر در حوزه مواد کوانتومی محسوب می‌شود. پژوهشگران با بهره‌گیری از ساختار طبیعی بلور LaRh₃B₂ توانستند بدون تولید مستقیم بوروفن، خواص آن را در قالب یک سیستم دوبعدی پایدار بازآفرینی کنند. همچنین مشاهده حالت نماتیک الکترونیکی نشان می‌دهد که مهندسی دقیق ساختار الکترونی مواد می‌تواند مسیر کشف پدیده‌های کوانتومی جدید و توسعه نسل آینده ابررساناها و فناوری‌های کم‌مصرف را هموار کند.