دانشمندان بالاخره خواص الکترونیکی واقعی یک‌بعدی را در یک ماده تأیید کردند
تحلیل پیشرفته داده‌های تجربی ARPES تأیید کرد که خواص الکترونیکی هر زنجیره واقعاً یک‌بعدی است و محاسبات پیش‌بینی جالبی از یک گذار فازی هیجان‌انگیز ارائه می‌دهند.
برای اولین بار، پژوهشگران در BESSY II با موفقیت نشان دادند که یک ماده می‌تواند خواص الکترونیکی واقعاً یک‌بعدی داشته باشد. با استفاده از رویکرد آزمایشی کنترل‌شده، تیم زنجیره‌های کوچک اتم‌های فسفر را بررسی کرد که به طور طبیعی با زوایای خاصی روی سطح نقره‌ای چیده می‌شوند. با اعمال روش‌های تحلیلی پیشرفته، توانستند سیگنال‌های زنجیره‌های با جهت‌گیری‌های متفاوت را جدا کرده و شناسایی کنند. این بررسی دقیق تأیید کرد که هر زنجیره فسفر به عنوان یک سیستم الکترونیکی واقعاً یک‌بعدی عمل می‌کند.
محاسبات نظری پیش‌بینی هیجان‌انگیزی اضافه می‌کنند: وقتی این زنجیره‌ها به هم نزدیک‌تر شوند، رفتار آن‌ها به طور چشمگیری تغییر خواهد کرد. ساختارهایی با زنجیره‌های با فاصله زیاد مانند نیمه‌رساناها عمل می‌کنند، اما وقتی زنجیره‌ها متراکم باشند، ماده می‌تواند فلزی شود.
تمام ماده از اتم‌هایی تشکیل شده که به هم متصل می‌شوند تا مواد بی‌شماری را بسازند. معمولاً، اتم‌ها هم در یک صفحه و هم در جهت‌های عمود بر آن به هم متصل می‌شوند. با این حال، برخی عناصر مانند کربن می‌توانند مواد دوبعدی (2D) منحصربه‌فردی مانند گرافن تشکیل دهند، جایی که اتم‌ها فقط در یک صفحه به هم متصل هستند. فسفر نیز قادر به تشکیل ساختارهای پایدار 2D است. این مواد 2D به دلیل ویژگی‌های الکتریکی و نوری قابل توجه‌شان توجه زیادی جلب کرده‌اند. دانشمندان اکنون باور دارند که موادی که فقط به یک بعد محدود شده‌اند، می‌توانند خواص الکترو-نوری حتی شگفت‌انگیزتری داشته باشند.
زنجیره‌های اتم‌های فسفر
اخیراً، تولید ساختارهای یک‌بعدی ممکن شده است: در شرایط خاص، اتم‌های فسفر روی بستر نقره‌ای به صورت خطوط کوتاه خود را می‌چینند. این زنجیره‌ها از نظر مورفولوژیکی یک‌بعدی هستند. با این حال، احتمالاً با زنجیره‌های دیگر به صورت جانبی تعامل دارند. چنین تعاملاتی بر ساختار الکترونیکی تأثیر می‌گذارند و ممکن است یک‌بعدی بودن را از بین ببرند. تا کنون، اندازه‌گیری دقیق این موضوع در آزمایش‌ها ممکن نبوده است.
از طریق ارزیابی بسیار دقیق اندازه‌گیری‌ها در BESSY II، اکنون نشان داده‌ایم که چنین زنجیره‌های فسفری واقعاً ساختار الکترونیکی یک‌بعدی دارند، می‌گوید پروفسور اولیور رادر، رئیس دپارتمان اسپین و توپولوژی در مواد کوانتومی در HZB.
دکتر آندری واریخالوف و تیمش ابتدا زنجیره‌های فسفر را روی بستر نقره‌ای تولید و با استفاده از میکروسکوپ تونلی روبشی کرایوژنیک (STM) توصیف کردند. تصاویر حاصل، تشکیل زنجیره‌های کوتاه P را در سه جهت متفاوت روی بستر، با زوایای 120 درجه نسبت به یکدیگر، نشان داد.
ARPES در BESSY II ساختار الکترونیکی 1D را نشان می‌دهد
ما نتایج با کیفیت بسیار بالایی به دست آوردیم که به ما امکان مشاهده امواج ایستای الکترون‌ها را که بین زنجیره‌ها تشکیل می‌شوند، داد، می‌گوید واریخالوف.
سپس تیم ساختار الکترونیکی را با استفاده از طیف‌سنجی فوتوالکترون با رزولوشن زاویه‌ای (ARPES) در BESSY II بررسی کرد، روشی که آن‌ها تجربه زیادی در آن دارند.
گذار فازی با چگالی پیش‌بینی‌شده
دکتر ماکسیم کریونکوف و دکتر مریم سجدی در اینجا کار پیشگامانه‌ای انجام دادند: با تحلیل دقیق داده‌ها، توانستند سهم سه زنجیره فسفر با جهت‌گیری‌های متفاوت را تشخیص دهند. توانستیم سیگنال‌های ARPES از این دامنه‌ها را جدا کنیم و بنابراین نشان دهیم که این زنجیره‌های فسفر 1D واقعاً ساختار الکترونی یک‌بعدی بسیار متمایزی دارند، می‌گوید کریونکوف.
محاسبات مبتنی بر نظریه تابعی چگالی این تحلیل را تأیید می‌کنند و ادعای هیجان‌انگیزی مطرح می‌کنند: هرچه این زنجیره‌ها به هم نزدیک‌تر باشند، تعامل آن‌ها قوی‌تر می‌شود. این نتایج گذار فازی از نیمه‌رسانا به فلز را با افزایش چگالی آرایه زنجیره‌ها پیش‌بینی می‌کنند. در نتیجه، ساختار زنجیره فسفر دوبعدی فلزی خواهد بود.
ما وارد حوزه جدیدی از تحقیقات شده‌ایم، سرزمینی ناشناخته که احتمالاً کشف‌های هیجان‌انگیز زیادی در آن انجام خواهد شد، می‌گوید واریخالوف.
مرجع: آشکارسازی طبیعت 1D حالت‌های الکترونیکی در زنجیره‌های فسفرن توسط ماکسیم کریونکوف، مریم سجدی، دمیتری مارچنکو، اوانگلوس گولیاس، ماتیاس مونت‌ویلر، اولیور رادر و آندری واریخالوف، 17 اکتبر 2025، Small Structures.
DOI: 10.1002/sstr.202500458