دو سال پیش فیزیک‌دانان پیش‌بینی کرده بودند که می‌توان فلز قلع را به شکل شبکه‌ای تنها به ضخامت یک اتم ساخت؛ اکنون فیزیک‌پیشگان موفق به ساخت چنان ماده‌ای شده‌اند. این لایه‌ی نازک استاتین نامیده می‌شود و گزارش ساخت آن در سوم آگوست امسال در مجله‌ی مواد نیچر به چاپ رسید[1]. اما پژوهش‌گران قادر نبوده‌اند تا صراحتاً تایید کنند که این ماده همان ویژگی‌های الکترونیِ عجیب و  غریب را خواهد داشت؛ ویژگی‌هایی نظیر توانایی رسانندگی الکتریکی بدون تولید هیچ حرارت اتلافی؛ چیزی‌که نظریه‌پردازان را شگفت‌زده کرده بود.

استانین (برگرفته از واژه‌ی لاتینی استانوم به معنای قلع بوده و نشانگر عنصری با نماد شیمایی Sn است) تازه‌ترین فامیلِ گرافین بحساب می‌آید. گرافین از شبکه‌ی لانه‌زنبوریِ متشکل از اتم‌های کربن ساخته شده که هزاران مطالعه‌ی مربوط به مواد دوبعدی را به خود جلب کرده است. چنان مواد دوبعدی شامل ورقه‌هایی از سیلیسین (متشکل از اتم‌های سیلیکون)٬ فسفورین (ساخته شده از فسفر)٬ ژرمانین (متشکل از ژرمانیوم) و پشته‌هایی نازک از ورقه‌هایی است که از انواع مختلفی از عناصر شیمیایی ترکیب شده‌اند (اینجا را ببینید).

بسیاری از این ورقه‌ها رسانای بسیار خوب برای الکتریسیته محسوب می‌شوند اما استانین (به لحاظ نظری) یک مورد بسیار ویژه است. در دمای اتاق الکترون‌ها قادرند در طول لبه‌های این شبکه بدون برخورد به دیگر الکترون‌ها طی مسیر کنند٬ هم‌چنانکه در اغلب مواد نیز همین‌طور است. بر اساس پیش‌بینی‌هایی [1] که در سال ۲۰۱۳ توسط شو چنگ ژانگ (Shou-Cheng Zhang) انجام گرفته٬ این نوع رفتار به لایه‌ی نازک این امکان را می‌دهد تا رسانای الکتریسیته باشد بدون آن‌که انرژی به شکل حرارت تلف شود. ژانگ فیزیک‌پیشه‌ای از دانشگاه استانفورد در کالیفرنیا است که از نویسندگان مطالعه‌ی اخیر بوده است.

به گفته‌ی پید یه (Peide Ye) فیزیک‌دان و مهندس برق از دانشگاه پورده در ایالت ایندیانا٬ این یعنی یک لایه‌ی نازک از استاتین شاید بتواند همچون آزادراه کاملی باشد که جریان را در مدارهای الکتریکی عبور می‌دهند. وی می‌افزاید: «همیشه در جستجوی چیزی بودم که نه تنها به لحاظ علمی جالب باشد بلکه این پتانسیل را نیز داشته باشد تا بتوان از آن در ساخت یک قطعه استفاده کرد».«این کار بسیار جالب توجهی است».

پیش‌بینی می‌شود استانین نوعی عایق توپولوژیکی باشد که بارهای حامل آن (همچون الکترون‌ها) نمی‌توانند از مرکز ماده عبور کنند بلکه تنها در لبه‌های آن به شکل آزادانه حرکت می‌کنند. جهت حرکت این بارهای آزاد به این بستگی دارد که اسپین آن‌‌ها (یک ویژگی کوانتومی) به سمت «بالا» است یا «پائین». به بیان ژانگ جریان الکتریکی تلف نمی‌شود چون اغلب ناخالصی‌ها اسپین را تحت تاثیر قرار نمی‌دهند و نمی‌توانند الکترون‌ها را کند سازند.

اثر زیرلایه

ژانگ و همکارانش اما حتی پس از ساخت استانین در چهار دانشگاه در چین٬ قادر نبوده‌اند تا تایید کنند که این ماده یک عایق توپولوژیکی به حساب می‌آید یا نه. فیزیک‌دانان تجربی در دانشگاه تانگ جایوی شانگهای٬ قلع را در خلاء تبخیر کرده‌ و اجازه داده‌اند تا این اتم‌ها بر روی یک سطحِ ساخته شده از تلوراید بیسموت به حرکت درآیند. به گفته‌ی ژانگ اگرچه چنان سطحی این امکان را می‌دهد تا بلورهای دوبعدی استانین تشکیل شوند٬ با این بلورها ترکیب نیز شده و باعث می‌شود تا شرایط نامساعدی برای یک عایق توپولوژیکی ایجاد شود. ژانگ پیش‌تر نیز از نویسندگان مقاله‌ای [3] بوده که به آزمودن این مطلب پرداخته‌اند و بررسی کرده‌اند که کدام زیرلایه‌ها بهتر عمل می‌کنند.

به گفته‌ی رالف کلِسن (Ralph Claessen) فیزیک‌پیشه‌ای از دانشگاه ورتسبورگ آلمان٬ کاملاً واضح نیست که پژوهش‌گران موفق به ساختن استانین شده باشند. نظریه پیش‌بینی می‌کند که شبکه‌ی دوبعدی از جنس قلع ساختار لانه‌زنبوریِ خم‌شده تشکیل می‌دهد که در آن٬ اتم‌ها به شکل متناوب به سمت بالا خم شده‌اند تا برآمدگی‌های موج‌دار ایجاد کنند. ژانگ و تیم‌اش تنها لبه‌ی بالایی اتم‌ها را با میکروسکوپ الکترونی روبشی مشاهده کرده‌اند بجز در یک نقطه‌ی کوچک که آن برآمدگی ناپدید شده و یک لایه‌ی پائین‌تر از اتم‌های قلع ظاهر شده است. با این حال آن‌ها مطمئن هستند که ساختار لانه زنبوریِ خم‌شده ایجاد کرده‌اند٬ تاحدودی به این علت که فاصله‌ی بین لایه‌های بالایی و پائینی با پیش‌بینی‌های انجام یافته توافق دارد.

کلسن می‌گوید او بایستی اندازه‌گیری‌های مستقیم از ساختار شبکه را (از پراش اشعه‌ی ایکس) مشاهده کند تا مطمئن شود که این تیم استانین را ساخته و نه دیگر آرایش‌های قلع را. برای انجام چنان کاری به مقدار بیشتری از ماده‌ نیاز دارد که ژانگ و همکارانش رشد داده‌اند.

یوآنبو ژانگ (Yuanbo Zhang) فیزیک‌پیشه‌ای از دانشگاه فودانِ شانگهای چین که در این مطالعه دخیل نبوده بیش از دیگران متقاعد شده است. به گفته‌ی او: «به گمانم این پژوهش یک موفقیت مهم است که بار دیگر دنیای مواد دوبعدی را گسترش داده است»«شگفت‌زده خواهم شد که ببینم چگونه این ماده به پیش‌بینی‌هایش تحقق می‌بخشد».

گای لی لِی (Guy Le Lay) فیزیک‌دانی از دانشگاه اکس-مارسیِ فرانسه که نامش درمیان کسانی است که برای اولین بار به ساخت سیلیسین [4] و ژرمانین [5] مبادرت کرده‌اند٬ خوش‌بینی را در راه تلاش برای اثبات خواص الکترونی استانین پیشنهاد می‌کند. به بیان او: «این کار شبیه رفتن به ماه است». « اولین گام مرحله‌ای بسیار حیاتی به حساب می‌آید».

مراجع:  

منبع: