திடப்பொருளில் எலக்ட்ரான்களின் செயல்பாடு எப்படி இருக்கும்?
ரீஜென்ஸ்பர்க் மற்றும் மார்பர்க்கில் உள்ள இயற்பியலாளர்கள், அணுக்கரு மெல்லிய திடப்பொருளில் எலக்ட்ரான்களின் பரஸ்பர தொடர்புகளை வடிவமைத்து, அதை கையால் தேர்ந்தெடுக்கப்பட்ட அணிக்கோவை(Lattice) இயக்கவியல் கொண்ட ஒரு படிகத்துடன் மூடி வைக்கின்றனர்.
ஒரு திட சென்டிமீட்டரில், பொதுவாக 1023 எலக்ட்ரான்கள் உள்ளன. இந்த பெருத்த பல இயற்பியல் அமைப்பில், எளிமையான ஜோடிவரிசை எலக்ட்ரான்-எலக்ட்ரான் தொடர்பு மிகவும் சிக்கலான தொடர்புகளையும், மீக்கடத்தி போன்ற கவர்ச்சியான நடத்தைகளையும் ஏற்படுத்தும். இந்த குவாண்டம் நிகழ்வு ஒரு திடப்பொருளை சரியான கடத்தியாக மாற்றுகிறது, இது சீரான மின்னோட்டங்களைக் கொண்டுள்ளது. வழக்கமாக, இந்த நடத்தை குறிப்பிட்ட திடப்பொருட்களின் இயல்பான பண்பு. ஆயினும்கூட, கிராஃபீன்-கிராஃபைட்டின் ஒரு ஒற்றையடுக்கு அல்லது இடமாற்று உலோகம் டைச்சல்கோஜனைடுகள் (TMDCs- transition metal dichalcogenides) போன்ற அணு மெல்லிய அடுக்கு பொருட்களின் கண்டுபிடிப்பு, எலக்ட்ரான்-எலக்ட்ரான் இடைவினைகள் மற்றும் வடிவ நிலை மாற்றங்களைத் தக்கவைக்க ஒரு புதிய படைப்பு ஆய்வகத்தைத் திறந்துள்ளது.
மார்பர்க்கில் உள்ள பிலிப்ஸ் பல்கலைக்கழகத்தில் எர்மின் மாலிக் குழுவுடன் இணைந்து ரூபர்ட் ஹூபர் தலைமையிலான ரீஜென்ஸ்பர்க்கைச் சேர்ந்த இயற்பியலாளர்கள், அண்டை அடுக்கின் துருவ படிக அணிக்கோவை அதிர்வுகளுடன் இணைப்பதன் மூலம் எலக்ட்ரான்களுக்கு இடையிலான தொடர்புகளை நன்றாக மாற்றுவதற்கான புதிய யோசனையை இப்போது கொண்டு வந்துள்ளனர். TMDC ஒற்றையடுக்குகளை ஜிப்சம் ஒரு மூடிய அடுக்குடன் மூடுவதன் மூலம் இந்த காட்சியை உணர முடியும், இது பொதுவாக பூச்சுகளில் பயன்படுத்தப்படுகிறது.
எலக்ட்ரான்களுக்கும் ஃபோனான்களுக்கும் இடையிலான இணைப்பு வலிமையை அளவிட, இயற்பியலாளர்கள் முதலில் TMDC ஒற்றையடுக்கில் குறைக்கடத்தி அல்ட்ராஷார்ட் லேசர் துடிப்புடன் எலக்ட்ரான்களை கிளர்ச்சியுற செய்தனர், அதனுடன் தொடர்புடைய துளைகளை அவற்றின் அசல் தளங்களில் விட்டுச் சென்றனர். எலக்ட்ரான்கள் மற்றும் துளைகள் எதிரெதிர் மின்னூட்டங்களைக் கொண்டுள்ளன, இதனால் ஒன்றுக்கொன்று அவற்றின் கூலூம் ஈர்ப்பால் பிணைக்கப்படுகின்றன. எலக்ட்ரான்கள் ஹைட்ரஜன் அணுவில் உள்ள கருவுடன் பிணைக்கப்படுவதைப் போலவே எக்ஸைட்டான்கள்(Excitons) என்று அழைக்கப்படுகின்றன. அகச்சிவப்புக்களில் அடுத்தடுத்த அல்ட்ராஷார்ட் ஒளி துடிப்புடன் அவற்றின் அணு போன்ற ஆற்றல் கட்டமைப்பைக் கவனிப்பதன் மூலம், இரண்டு துகள்களுக்கும் இடையிலான தொடர்புகளை அளவீடு செய்ய முடியும்.
ஆச்சரியமான கண்டுபிடிப்பு என்னவென்றால், TDMC அடுக்குகள் மெல்லிய ஜிப்சம் தொப்பியுடன் மூடப்பட்டவுடன், எக்ஸைடான்களின் அமைப்பு கணிசமாக மாற்றப்பட்டது. “ஜிப்சம் அடுக்கின் வெறும் இடஞ்சார்ந்த அருகாமை, ஜிப்சத்தின் துருவ அணிக்கோவை அதிர்வுகளுக்கு எக்ஸைடான்களின் உள் கட்டமைப்பை வலுவாக இணைக்க போதுமானது” என்று ஆய்வின் முதல் எழுத்தாளர் பிலிப் மெர்க்ல் கூறுகிறார். TMDC மற்றும் ஜிப்சம் ஆகியவற்றுக்கு இடையில் ஒரு இடைவெளியில் அடிப்படையில் மந்தமான மூன்றாவது அணு மெல்லிய அடுக்கை வைப்பதன் மூலம், எலக்ட்ரான்கள் மற்றும் ஃபோனான்களுக்கு இடையிலான இடைவெளி தூரத்தை அணு துல்லியத்துடன் சரிசெய்ய முடிந்தது.
“இந்த தந்திரம் இணைப்பு வலிமையை இன்னும் அதிக துல்லியத்துடன் மாற்றியமைக்க எங்களுக்கு அனுமதித்தது” என்று தொடர்புடைய எழுத்தாளர் டாக்டர் சா-கியோங் யோங் மேலும் கூறுகிறார். “இந்த கண்டுபிடிப்புகள் இரு பரிமாண பொருட்களில் மின்னணு தொடர்புகளைத் தக்கவைக்க புதிய பாதைகளைத் திறக்கக்கூடும். எதிர்காலத்தில், இது செயற்கையாக அடுக்கப்பட்ட ஹீட்டோரோஸ்ட்ரக்சர்கள் மற்றும் புதுமையான இயற்பியல் குவாண்டம் பண்புகளில் மனிதனால் உருவாக்கப்பட்ட கட்ட மாற்றங்களை செயல்படுத்த முடியும், இது வருங்கால இழப்பற்ற மின்னணுவியல் மற்றும் குவாண்டம் தகவல் சாதனங்களில் பயன்பாடுகளைக் கண்டறியும்.”
References:
- Bandurin, D. A., Tyurnina, A. V., Geliang, L. Y., Mishchenko, A., Zólyomi, V., Morozov, S. V., … & Cao, Y. (2017). High electron mobility, quantum Hall effect and anomalous optical response in atomically thin InSe. Nature nanotechnology, 12(3), 223-227.
- Han, Q., Bai, X., Man, Z., He, H., Li, L., Hu, J., … & Zou, Z. (2019). Convincing synthesis of atomically thin, single-crystalline InVO4 sheets toward promoting highly selective and efficient solar conversion of CO2 into CO. Journal of the American Chemical Society, 141(10), 4209-4213.