Дослідники з Тель-Авівського університету розробили революційний метод перетворення графіту на матеріали з електронною пам’яттю. Маніпулюючи атомними шарами, вони можуть змінити майбутнє обчислювальних технологій та електронних пристроїв, зробивши ці матеріали потенційно ціннішими за алмази та золото.
Перетворення елементів: від алхімії до передових матеріалів
Чи можна перетворити мідь на золото? Століттями алхіміки прагнули цього, не знаючи, що така трансформація потребує ядерної реакції. Графіт, з якого зроблені грифелі олівців, і алмаз мають однакову основу — атоми вуглецю. Відмінність полягає лише в їх розташуванні. Для перетворення графіту в алмаз необхідні екстремальні температура і тиск, щоб розірвати та перебудувати хімічні зв’язки, що робить цей процес надзвичайно складним.
Більш реалістичне перетворення, за словами професора Моше Бен Шалома, керівника Групи квантових шаруватих матеріалів у Тель-Авівському університеті, полягає в перепозиціонуванні атомних шарів графіту за допомогою їхнього тонкого зсуву. На відміну від міцних хімічних зв’язків в алмазах, шари в графіті утримуються слабкими силами Ван дер Ваальса, що дозволяє їм легко зміщуватися. Разом з аспірантами Мааяном Візнером Стерном та Саймоном Саллехом Атрі з факультету фізики та астрономії ім. Реймонда та Беверлі Саклер, професор Бен Шалом дослідив цю ідею у нещодавно опублікованому дослідженні в журналі Nature Review Physics.
Інновації з політипними матеріалами
Хоча цей метод не створить алмазів, його технологічна цінність може бути навіть більшою. Якщо процес зсуву атомних шарів зробити швидким і ефективним, він може забезпечити створення крихітних високопродуктивних електронних блоків пам’яті. Нові “політипні” матеріали можуть виявитися більш цінними, ніж алмази та золото.
Аспірант Мааян Візнер Стерн пояснює: “Як і графіт, у природі існує багато інших матеріалів зі слабко зв’язаними шарами. Кожен шар поводиться, як цеглинка LEGO – розламати одну цеглинку важко, але роз’єднати і знову з’єднати дві цеглинки відносно просто. Так само в шаруватих матеріалах шари воліють займати певні положення, в яких атоми ідеально співпадають із сусідніми шарами. Переміщення між цими положеннями відбувається крихітними дискретними стрибками – всього на відстань атома.”
Слайдтроніка: майбутнє матеріалознавства
Аспірант Саймон Саллех Атрі додає: “Ми розробляємо нові методи зміщення шарів у різні конфігурації та вивчаємо отримані матеріали. Використовуючи електричне поле або механічний тиск, ми можемо переміщувати шари у стабільні положення. Оскільки шари залишаються у своїй новій конфігурації навіть після припинення зовнішнього впливу, вони можуть зберігати інформацію – функціонуючи як крихітний блок пам’яті.”
Дослідники також вивчили, як кількість шарів впливає на властивості матеріалів. Наприклад, тришаровий матеріал із двох типів атомів може утворювати шість різних стабільних структур, кожна з унікальною внутрішньою поляризацією. Для п’ятишарових матеріалів ця кількість зростає до 45 можливих конфігурацій. Контролюючи ці зміни, вчені можуть керувати електричними, магнітними та оптичними характеристиками матеріалу. Навіть графіт, що складається лише з атомів вуглецю, може утворювати шість різних кристалічних форм із відмінними електропровідними, інфрачервоними, магнітними та надпровідними властивостями.
Виклики та перспективи
Головне завдання – забезпечити стабільність матеріалу, одночасно керуючи його структурними переходами. У своїй новій роботі дослідники підсумували сучасні дослідження та запропонували нові методи для вдосконалення цього механізму “слайдтронічного” перемикання, відкриваючи шлях до інновацій у сфері електроніки, обчислювальної техніки та інших галузей.
Подальше вивчення цих матеріалів може кардинально змінити технології, забезпечивши швидше та ефективніше зберігання даних і безпрецедентний контроль над матеріальними властивостями. Здатність точно маніпулювати атомними шарами відкриває двері в нову еру матеріалознавства, де найбільш цінні відкриття можуть полягати не в створенні золота, а у розкритті прихованого потенціалу звичайних елементів.