هلیوم مایع با ایجاد دماهای نزدیک به صفر مطلق، خواص کوانتومی مواد دوبعدی مانند گرافین و MoS₂ را آشکار و کنترلپذیر میسازد. سپهر گاز کاویان تولید کننده و تامین کننده گازهای خالص وترکیبی دارای گواهینامه ISO17025 و آزمایشگاه مرجع اداره استاندارد ایران می باشد.جهت خرید گازهای خالص و ترکیبی تماس بگیرید.02146837072 – 09033158778
در سالهای اخیر، مواد دوبعدی نظیر گرافین و دیسولفید مولیبدن (MoS₂) توجه چشمگیری را در دنیای فیزیک حالت جامد و نانوتکنولوژی به خود جلب کردهاند. این مواد به دلیل ضخامت تکاتمی و ویژگیهای الکترونی منحصربهفرد، بستری ایدهآل برای بررسی پدیدههای کوانتومی فراهم میکنند. از سوی دیگر، هلیوم مایع به عنوان یکی از سردترین محیطهای شناختهشده، ابزار قدرتمندی برای مطالعهی رفتار کوانتومی مواد در دماهای نزدیک به صفر مطلق محسوب میشود.
ترکیب این دو زمینهی تحقیقاتی—مواد دوبعدی و محیطهای فوقسرد—میتواند بینشی عمیق نسبت به رفتار کوانتومی ماده در مقیاس نانو فراهم آورد. در این مقاله، اثر تماس مواد دوبعدی مانند گرافین و MoS₂ با هلیوم مایع بر ویژگیهای کوانتومی آنها، از جمله تحرک حاملها، رسانایی کوانتومی، برهمکنشهای الکترون-فونون و تغییر فازهای الکترونی بررسی میشود.
۱. ویژگیهای بنیادی هلیوم مایع
هلیوم تنها عنصر شیمیایی است که در فشار اتمسفری حتی تا صفر کلوین نیز جامد نمیشود. این ویژگی ناشی از انرژی نقطه صفر بالا و برهمکنشهای ضعیف میان اتمهای آن است. هلیوم مایع در دو ایزوتوپ اصلی خود، یعنی ^4He (هلیوم معمولی) و ^3He (ایزوتوپ سبکتر و فرمیونی)، فازهای کوانتومی متمایزی دارد.
در دمای زیر ۲٫۱۷ کلوین، ^4He وارد فاز ابرشارگی (superfluid) میشود که در آن ویسکوزیته به صفر میرسد و خواص کوانتومی ماکروسکوپیک مانند جریان بدون اتلاف و بالا رفتن از دیوارهها ظاهر میگردد. این محیط ابرشارهای شرایطی ایدهآل برای مطالعهی اثر دمای نزدیک صفر و میدانهای کوانتومی بر مواد دوبعدی فراهم میکند.
۲. اهمیت دمای پایین در بررسی خواص کوانتومی
در دماهای معمولی، برهمکنشهای حرارتی میان الکترونها و شبکهی بلوری (فونونها) باعث پراکندگی حاملها و از بین رفتن همدوسی کوانتومی میشود. کاهش دما به مقادیر میلیکلوینی با استفاده از حمام هلیوم مایع، این برهمکنشها را سرکوب کرده و اجازه میدهد پدیدههای ظریف کوانتومی مانند کوانتش رسانش، تداخل کوانتومی، اثر هال کوانتومی و نوسانات شوبنیکوف-دهاس بهوضوح مشاهده شوند.
بنابراین، هلیوم مایع نه تنها نقش یک سردکننده فیزیکی را دارد، بلکه زمینهای برای آشکار شدن ماهیت بنیادی حالتهای الکترونی در مواد دوبعدی فراهم میکند.
۳. گرافین در تماس با هلیوم مایع
گرافین، تکلایهای از اتمهای کربن با ساختار ششضلعی، دارای نوار انرژی شبهدیراکی است که منجر به رفتار نسبیتی حاملهای بار میشود. وقتی گرافین در تماس با هلیوم مایع قرار میگیرد، چندین پدیدهی جالب اتفاق میافتد:
۳.۱. کاهش پراکندگی حرارتی
دمای فوقالعاده پایین هلیوم مایع موجب کاهش شدید برهمکنش الکترون-فونون در گرافین میشود. این پدیده منجر به افزایش تحرک حاملها تا بیش از ۱۰^۶ cm²/Vs میشود که در شرایط معمولی قابل دستیابی نیست. در نتیجه رسانش الکتریکی گرافین به حالت کوانتیده نزدیک میشود.
۳.۲. آشکارسازی اثرات کوانتومی
در حضور میدان مغناطیسی قوی و دمای هلیومی، گرافین رفتارهای غیرکلاسیکی نظیر اثر هال کوانتومی نسبیتی (Relativistic Quantum Hall Effect) نشان میدهد. این اثر اولین بار در گرافین شناور بر روی هلیوم مایع مشاهده شد که در آن، سطح تماس عاری از آلودگی و بینقص باقی میماند.
۳.۳. تعامل سطحی با هلیوم
گرافین در تماس با سطح هلیوم مایع ممکن است یک لایهی اتمی نازک از هلیوم جذب کند. این لایه باعث تغییر جزئی در پتانسیل سطحی و اصلاح ساختار باندی میشود. محققان دریافتهاند که جذب یک یا دو لایه از هلیوم میتواند شکاف انرژی کوچکی در باندهای π گرافین ایجاد کند که کنترلپذیری الکترونی آن را بهبود میبخشد.
۴. اثر هلیوم مایع بر خواص کوانتومی MoS₂
دیسولفید مولیبدن (MoS₂) یکی از معروفترین مواد دوبعدی با ساختار لایهای است که دارای باندگپ مستقیم در حالت تکلایه بوده و رفتار نیمههادی دارد. بررسی MoS₂ در محیط هلیوم مایع نشان داده که خواص نوری و الکترونی آن بهشدت وابسته به دما و محیط اطراف است.
۴.۱. افزایش طول همدوسی کوانتومی
در دماهای هلیومی، پراکندگی حاملها کاهش یافته و امکان مشاهدهی نوسانات کوانتومی مانند نوسانات آهرونوف–بوم فراهم میشود. در MoS₂ قرارگرفته در هلیوم مایع، طول فاز همدوس تا مقادیر چند صد نانومتر افزایش مییابد که برای ساخت ترانزیستورهای کوانتومی بسیار مطلوب است.
۴.۲. تغییر در خواص فوتولومینسانس
دمای پایین موجب افزایش شدت نشر نوری در MoS₂ میشود، زیرا بازترکیب غیرتابشی حاملها کاهش مییابد. در حضور هلیوم مایع، طیف فوتولومینسانس باریکتر شده و برهمکنشهای اکسیتونی (برهمکنش الکترون-حفره) تقویت میگردند. این رفتار نشانهای از پایداری بیشتر حالتهای برانگیخته در محیطهای فوقسرد است.
۴.۳. تغییر در برهمکنش اسپین–دره
در MoS₂، برهمکنش اسپین–دره (Spin-Valley Coupling) یکی از پدیدههای کلیدی است. هلیوم مایع با حذف نویزهای حرارتی، تفکیک انرژی درههای K و K′ را واضحتر کرده و زمینه را برای کنترل کوانتومی حالتهای اسپینی فراهم میکند. این ویژگی برای توسعهی رایانش کوانتومی مبتنی بر درهها (valleytronics) بسیار ارزشمند است.
۵. اثر هلیوم بر خواص الکترونیکی و فونونی مواد دوبعدی
دماهای بسیار پایین حاصل از هلیوم مایع، سبب محدود شدن تعداد فونونهای فعال در شبکهی بلوری میشود. در نتیجه، مقاومت الکتریکی ناشی از پراکندگی فونونی کاهش مییابد و رسانش بهصورت بالستیک انجام میشود.
از سوی دیگر، انرژی فونونهای نوری در مواد دوبعدی نسبتاً بالا است، اما در دمای هلیوم، تنها فونونهای آکوستیکی فعال باقی میمانند. این امر مسیر بررسی دقیق اثرات کوانتومی بر انتقال الکترونها را فراهم میکند. همچنین، تماس با هلیوم مایع از اکسیداسیون سطحی مواد جلوگیری کرده و پایداری ساختار اتمی را حفظ مینماید.
۶. بررسی پدیدههای کوانتومی قابل مشاهده در دماهای هلیومی
در شرایطی که دما به کمتر از چند کلوین میرسد، پدیدههای زیر در مواد دوبعدی قابل مشاهده و مطالعه میشوند:
- اثر هال کوانتومی صحیح و کسری (Integer/Fractional Quantum Hall Effect)
که بازتاب مستقیم از کوانتش رسانش عرضی در میدان مغناطیسی است. - نوسانات شوبنیکوف–دهاس (SdH)
که از تغییرات تناوبی مقاومت با معکوس میدان مغناطیسی ناشی میشود. - تداخل کوانتومی و انسداد کولنی (Coulomb Blockade)
در ساختارهای نانوترانزیستوری دوبعدی در دماهای میلیکلوینی. - ابررسانایی القایی (Proximity-Induced Superconductivity)
که در برخی هتروساختارهای گرافین-NbSe₂ در حضور هلیوم مایع مشاهده شده است.
۷. نقش هلیوم مایع در حذف اغتشاشات محیطی
یکی از مزایای کلیدی هلیوم مایع، فراهمکردن محیطی با خلوص و پایداری بسیار بالا است. این محیط نه تنها از آلودگیهای سطحی جلوگیری میکند، بلکه نویزهای الکتریکی و حرارتی را نیز به حداقل میرساند. از آنجا که مواد دوبعدی بهشدت به شرایط محیطی حساساند، استفاده از حمام هلیومی باعث میشود رفتارهای ذاتی کوانتومی آنها بدون تداخل عوامل خارجی مشاهده شود.
به عنوان مثال، گرافین معلق در هلیوم مایع دارای سطحی کاملاً تمیز و بدون تنش است که امکان مشاهدهی رفتار شبهدیراک را با دقت بسیار بالا فراهم میکند.
۸. کاربردهای تحقیقاتی و فناورانه
مطالعهی مواد دوبعدی در محیط هلیوم مایع صرفاً یک تجربهی آزمایشگاهی نیست، بلکه مسیرهایی به سوی فناوریهای آینده میگشاید:
- رایانش کوانتومی و اسپینترونیک:
کنترل دقیق حالتهای اسپینی در دماهای هلیومی، طراحی کیوبیتهای پایدار در مواد دوبعدی را ممکن میکند. - حسگرهای کوانتومی:
کاهش نویز حرارتی و افزایش حساسیت در میدانهای مغناطیسی ضعیف، باعث میشود گرافین سردشده در هلیوم به حسگرهای فوقدقیق کوانتومی تبدیل شود. - اپتوالکترونیک دمای پایین:
مواد دوبعدی مانند MoS₂ در دمای هلیومی میتوانند بازده نوری بسیار بالایی داشته باشند که برای آشکارسازهای مادونقرمز و لیزرهای کوانتومی مفید است. - مطالعات بنیادی فیزیک حالت جامد:
بررسی رفتار انتقال بار، برهمکنشهای چندجسمی و پدیدههای توپولوژیکی در چنین دماهایی، به درک عمیقتری از قوانین کوانتوم کمک میکند.
۹. چالشها و محدودیتها
هرچند استفاده از هلیوم مایع مزایای علمی بسیاری دارد، اما چالشهای فنی و اقتصادی نیز به همراه دارد:
- هزینه بالا و کمبود جهانی هلیوم:
ذخایر طبیعی هلیوم محدود است و استخراج آن پرهزینه میباشد. - نیاز به تجهیزات پیچیده کرایوژنیک:
کنترل و نگهداری دماهای میلیکلوینی نیازمند سیستمهای خلأ و خنککنندههای چندمرحلهای است. - خطرات نشت و تبخیر سریع:
هلیوم مایع بهسرعت تبخیر میشود و باید در ظروف مخصوص دوجداره (Dewar) نگهداری گردد. - تأثیر نیروهای وندروالسی در تماس با سطح:
جذب یا انجماد لایههای نازک هلیوم ممکن است بر نتایج اندازهگیری اثر بگذارد و نیاز به تصحیح دقیق دادهها دارد.
){kind=link}
بدون دیدگاه