تخليق العوازل الطوبوغرافية الممغنطة جيدًا في درجة حرارة أعلى من درجة حرارة الغرفة

في عالم الالكترونيات، حيث السعي هو دائمًا لوحدات أصغر وأسرع مع عمر بطارية لانهائي، العوازل الطوبوغرافية (TI) لديها إمكانات محيرة.
في ورقة نُشِرَت في دورية «العلوم المتقدمة» في يونيو جينغ شي- أستاذ الفيزياء وعلم الفلك في جامعة كاليفورنيا، ريفرسايد، وزملاؤه- في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) وجامعة ولاية أريزونا- قدموا تقريرًا أنهم قد تخليق رقاقة من العوازل الطوبوغرافية في سمك 25 ذرة والتي تلتصق بشريحة مغناطيسية عازلة، وخلق «بنائية مغايرة -heterostructure». هذا البناء المغاير يجعل سطح العوازل الطوبوغرافية ممغنطًا في درجات حرارة الغرفة وأعلى، إلى ما فوق 400 كلفن أو أكثر من 720 درجة فهرنهايت.
سمك سطح مادة العوازل الطوبوغرافية ليس سوى عدد قليل من الذرات ويحتاج إلى طاقة قليلة ليوصل الكهرباء. إذا صنع سطح العوازل الطوبوغرافية من المغناطيس، سيتدفق التيار الكهربي على طول حواف الأجهزة فقط، مما يتطلب طاقة أقل. وبفضل هذا ما يسمى «الشذوذ الكمي لتأثير هال» أو ( QAHE)، يمكن أن يكون جهاز TI صغيرًا وبطارياته طويلة الأمد.
يحب المهندسون QAHEEلأنه يجعل الأجهزة قوية جدًا، وهذا محبب بما فيه الكفاية للوقوف ضد العيوب أو الأخطاء، بحيث لا يحطم التطبيق الخاطئ نظام التشغيل بأكمله.
العوازل الطوبولوجية هي المواد الوحيدة في الوقت الحالي التي يمكن أن تحقق رغبات QAHEE، ولكن بعد أن تتم مغنطتها، وهنا تكمن المشكلة: سطوح العوازل الطوبوغرافية ليست ممغنطة بشكل طبيعي.
وقال شي إنّ العلماء تمكنوا من تحقيق المغنطة ل العوازل الطوبوغرافية عن طريق المحفزات- dopingg، أي إدخال شوائب مغناطيسية للمادة، مما يجعلها أقل استقرارًا. تسمح المحفزات لسطوح العوازل الطوبوغرافية لإظهار QAHE، ولكن فقط في درجات حرارة منخفضة للغاية- بضع مئات من درجة في كلفن فوق الصفر المطلق، أو حوالي 459 درجة تحت الصفر فهرنهايت– مما يحول دون استخدامها على نطاق واسع.
وأوضح شي أنَّ العديد من العلماء ألقوا باللوم على استخدام المحفزات لجعل QAHEE يظهر فقط عند درجات حرارة منخفضة جدًا، الأمر الذي دفع الباحثين لبدء البحث عن تقنية أخرى لتخليق أسطح العوازل الطوبوغرافية المغناطيسية.
بداخل مختبر شينس بجامعة كالفورنيا (مختبر الدوران والحرارة في الأنظمة الإلكترونية النانوية)، قسم من مركز أبحاث الطاقة التي تمولها جامعة كاليفورنيا و فيه يقود (شي) ويركز على تطوير الرقائق والمركبات وغيرها من الطرق لحصاد أو استخدام الطاقة بشكل أكثر كفاءة من تكنولوجيا النانو ( فكر بأنها شيء صغيرة حقا، كما الجزئ أو حجم الذرة).
في عام 20155، خلق مختبر شي لأول مرة بنائية مغايرة من الرقائق المغناطيسية ومواد الجرافين ذات سمك ذرة واحدة باستخدام تقنية تسمى «تنضيد الجزيء باستخدام شعاع الليزر -«laser molecular beam epitaxy. الرقائق التي في سمك ذرة ذات العوازل المغناطيسية في غاية الأهمية لكل من الجرافين والعوازل الطوبوغرافية.
وقال شي «إنَّ المواد يجب أن تكون فى متصلة بشكل قوي(حميمي) مع العوازل الطوبوغرافية لاكتساب المغنطيسية». «فإذا كان السطح خشن، لن يكون هناك اتصال جيد، ونحن بارعون في جعل هذه الرقائق المغناطيسية مسطحة ذريًا، بحيث لا تفلت أي ذرات اضافية».
ثمَّ أرسل مختبر جامعة كاليفورنيا المواد إلى متعاونيه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، الذين استخدموا التنضيد الشعاعي الجزيئي لبناء العوازل الطوبوغرافية ذات 25 طبقة ذرية على رأس الصفائح المغناطيسية، وخلق بنائية مغايرة، والتي تم إرسالها مرة أخرى إلى جامعة كاليفورنيا لتصنيع الجهاز والقياسات.
وقال شي إنّ هناك حاجة إلى مزيد من البحوث لجعل العوازل الطوبوغرافية تظهر الشذوذ الكمي لتأثير هال (QAHE) في درجات حرارة عالية، ومن ثمّ تخليق المواد المتاحة لتقليل حجم الالكترونيات للحد الأدنى، وقال شي : «لكن المختبر شينز بين أنّه من خلال اتخاذ نهج البنية المغايرة، يمكن لأسطح العوازل الطوبوغرافية أن تكون مغناطيسية وقوية في درجات الحرارة العادية».
إنَّ صنع أجهزة أصغر وأسرع تعمل على نفس المستويات أو أعلى من الكفاءة حيث التي كانت لأسلافها الأكبر والأبطأ «لا يحدث بشكل طبيعي». سقول شي «المهندسون يعملون بجد لجعل جميع الأجهزة تعمل بنفس الطريقة، ويتطلب هذا الكثير من الهندسة للوصول الى الهدف».