گرافيت و اثرات كوانتومى

آلبرت اينشتين، پل ديراك و ديگر فيزيكدانان در گذشته براى نوشتن جزئيات فرضيه هايشان در مورد نسبيت و مكانيك كوانتومى از مداد استفاده مى كردند. اكنون وارثان مدرن آنها براى اثبات آن تئورى ها از نوك مداد به شيوه اى ديگر استفاده مى كنند، شيوه بالقوه اى كه ممكن است راه را به سمت نوع كاملاً جديدى از الكترونيك نشان دهد.در واقع نوك مداد از جنس گرافيت است: يك كانى كربن دار كه وقتى بر روى كاغذ كشيده مى شود نوشته را از خود بر جاى مى گذارد. اين نوشته به دليل آن است كه لايه هاى اتمى به سادگى جدا مى شوند. اين امر همچنين بدين معنى است كه گرافيت هادى بسيار خوبى براى جريان برق است. سال گذشته، «آندره گيم» از دانشگاه منچستر انگليس با استفاده از نوار چسب به برداشتن لايه هاى گرافيت پرداخت تا آن را به لايه اى كه فقط يك اتم ضخامت داشت تبديل كرد. آنها اين لايه بسيار نازك گرافيتى را «گرافين» نامگذارى كردند. اين ماده دوبعدى هنوز قابليت هدايت برق را داشت كه دليل آن هم الكترون هاى شناور در ساختار لانه زنبورى اتم هاى كربن است. اما اين الكترون ها برخى خواص غيرمعمول را نشان مى دادند. گروه گيم مشاهده كرد كه حركت اين الكترون ها حتى در دماى بسيار پائين كند نمى شد. در اصل، الكترون ها به گونه اى رفتار مى كردند مثل اينكه فاقد جرم و يا به عبارت دقيق تر «جرم سكون» (Rest Mass) بودند. جرم سكون عبارتى است كه در نسبيت خاص به كار برده مى شود. اين موضوع همچنين بدين معنى است كه گرافيت _يا حداقل نوع دوبعدى آن _ عمل هدايت جريان را هيچگاه متوقف نمى كند. محققين اين ذرات نسبيت كاذبى (pseudo-relativistic) را «فرميون هاى بدون جرم ديراك» نامگذارى كردند. آنها ثابت كردند كه اين ذرات در مقايسه با الكترون هاى موجود در ساير نيمه هادى ها به مراتب سريع تر حركت مى كنند. بدين ترتيب اين ذرات با معادله معروف E=Emc2 مطابقت داشته و از آن پيروى مى كنند (با سرعت واقعى شان يعنى ۴۰۰ بار كمتر از سرعت نور جايگزين C مى شوند). فيزيكدانان دانشگاه كلمبيا به سرپرستى «فيليپ كيم» اين يافته ها را به طور مستقل تائيد كرده و همچنين دريافتند كه الكترون هاى بى جرم پيش بينى هاى اثر Hall را تائيد مى كنند. (ادوين هال در سال ۱۸۷۹ ثابت كرد كه اگر يك ميدان مغناطيسى در زاويه قائمه به يك ماده هادى اعمال شود، ولتاژى ايجاد مى شود كه عمود بر جريان عادى موجود در آن ماده است.) اين اثر در سطح كوانتومى نيز قابل اعمال است. بر اساس مطالعات هر دو گروه، اين دقيقاً چگونگى عملكرد و رفتار الكترون هاى بى جرم در گرافين است. نهايتاً «كيم» مى نويسد هر چند كه تحقيقات بيشترى نياز است ولى اين يافته ها ممكن است به كاربردهاى جديدى در دستگاه هاى الكترونيك كربنى و الكرونيك-مغناطيسى منتهى شوند. همچنين اين بدان معنى است كه مى توان از گرافيت بر جاى مانده از يك مداد كه به يك لايه به ضخامت يك اتم چسبانده شده براى اثبات فرضيه هايى كه فيزيكدانان گذشته با خط بد نوشتند استفاده كرد.
www.sciam.com,Nov.2005
روزنامه شرق