ایجاد اتم‌های مصنوعی سزیم در شبیه‌ساز کوانتومی

دانشمندان در یک مطالعه جدید از یک شبیه‌ساز کوانتومی حالت جامد برای ایجاد اتم‌های مصنوعی به منظور بررسی رفتار مولکول‌ها و ساختار اتمی استفاده کردند.

کد خبر: ۶۲۶۸۷۴

تاریخ: ۳۱ خرداد ۱۴۰۲ - ۱۷:۳۴

به گزارش ایران اکونومیست و به نقل از آی‌ای، مطالعه خواص کوانتومی ماده به دلیل عوامل زیادی مانند هزینه، پیچیدگی فنی، نیاز به تجهیزات تخصصی و ماهیت ظریف سیستم‌های کوانتومی چالش برانگیز است و رایانه‌ها و سیستم‌های کلاسیک نیز ظرفیت شبیه‌سازی دنیای پیچیده مکانیک کوانتومی را ندارند.

شبیه‌سازهای کوانتومی به دانشمندان اجازه می‌دهند تا سامانه‌های کوانتومی را مطالعه کنند و مواد، خواص و پدیده‌های جدیدی را که قبلا ناشناخته بودند، کشف کنند.

شبیه‌سازهای کوانتومی می‌توانند رایانه‌های کوانتومی یا سیستم‌های فیزیکی باشند که برای کاوش ماده در کوچک‌ترین مقیاس‌ها استفاده می‌شوند.

گروهی از دانشمندان اکنون یک شبیه‌ساز کوانتومی حالت جامد برای شبیه‌سازی اوربیتال‌های مولکولی ساخته‌اند. این گروه تحقیقاتی به سرپرستی الکساندر خواجه‌توریان از دانشگاه رادبود هلند، از شبیه‌ساز کوانتومی برای ایجاد بنزن مصنوعی با استفاده از اتم‌های مصنوعی استفاده کردند.

ایجاد اتم‌های مصنوعی

این تیم پژوهشی ساخت اتم‌های سزیم مصنوعی را انتخاب کرد. اولین مرحله، انتخاب ایندیم آنتی‌موناید(InSb) به عنوان بستر بود. ایندیم آنتی‌موناید یک نیمه رسانای شکاف باند باریک است که رسانایی لازم، محصور شدن سطح و جدا شدن از مواد حجیم را برای ایجاد اتم‌های مصنوعی و مطالعه موثر رفتار آنها فراهم می‌کند.

سپس این تیم از تکنیک‌های میکروسکوپ تونلی روبشی و طیف‌سنجی برای ایجاد محصورات سطحی الکترون‌ها بر روی سطح نیمه‌رسانا استفاده کردند. به عبارت ساده، آنها الکترون‌ها را به سطوح یا حالت‌های انرژی خاص روی سطح نیمه رسانا محدود کردند.

میکروسکوپ تونلی روبشی(STM) گونه‌ای از میکروسکوپ کاوشگر روبشی است که بر اساس روبش سطح رسانا به‌وسیله نوک بسیار باریک(در حد چند نانومتر) و تغییر در میزان جریان عبوری بر حسب فاصله کار می‌کند. با این میکروسکوپ می‌توان نحوه آرایش اتم‌ها در سطح شبکه را به تصویر کشید. به عبارت دیگر تصویر ایجاد شده نشان دهنده آرایش فضایی نوار رسانش فلز یا نیمه هادی است. جریان در این گونه میکروسکوپ مستقیم(DC) است و جریان به صورت نمایی با فاصله نوک از نمونه رابطه دارد.

گام بعدی، محلی‌سازی اتم‌های سزیم بود. آنها از اتم‌های سزیم بسیار الکترومثبت یا آزاد کننده الکترون در سطح نیمه رسانا استفاده کردند. اتم‌های سزیم الکترون‌ها را به حالت محدود در شکاف باند نیمه‌رسانا آزاد کردند و یک گاز الکترونی دوبعدی تشکیل دادند.

این گاز الکترون دوبعدی چندان قوی با مواد حجیم جفت نمی‌شود، به این معنی که رفتار و خواص گاز الکترون دوبعدی نسبتا مستقل و متمایز از خواص مواد حجیم است. این کار به آنها اجازه داد تا اتم‌های مصنوعی و ساختارهای مولکولی تشکیل شده توسط اتم‌های سزیم را مطالعه و دستکاری کنند.

در نهایت، آن‌ها اتم‌های سزیم را در حالت‌های موضعی مرتب کردند، به طوری که این ساختار، شبیه به اتمی بدون هسته یا حلقه سزیمی بود. این حلقه‌های سزیمی پتانسیل‌های الکترومغناطیسی شبیه به پتانسیل‌های میان اتم‌های واقعی را نشان می‌دهند.

از اتم‌های مصنوعی تا مولکول‌های مصنوعی

این تیم کار خود را با مرتب کردن اتم‌های مصنوعی در مولکول‌های مصنوعی، از جمله بوتادین‌ها و بنزن مصنوعی ادامه دادند.

بوتادین‌ها گروهی از ترکیبات آلی هستند که معمولاً در تولید لاستیک مصنوعی استفاده می‌شوند و بنزن نیز یک ترکیب آلی است که در تولید مواد شیمیایی مختلف و به عنوان حلال در صنایعی مانند داروسازی، رنگ و چسب استفاده می‌شود.

پژوهشگران شواهدی از هیبریداسیون sp2 را در مدل‌های دو بعدی خود مشاهده کردند که به اختلاط اوربیتال‌های اتمی برای تشکیل اوربیتال‌های مولکولی اشاره دارد. هیبریداسیون sp2 قابل توجه است، زیرا توانایی اتم‌های مصنوعی را برای تقلید پیوندهای شیمیایی نشان می‌دهد که‌ می‌تواند برای مطالعه مواد و خواص جدید مورد استفاده قرار گیرد.

دنیل وگنر، یکی از نویسندگان این مقاله در یک بیانیه مطبوعاتی گفت: ما اکنون می‌توانیم بازی‌های فکری را انجام دهیم که قبلا فقط یک نظریه‌پرداز می‌توانست با کدنویسی بر اساس نظریه تابعی چگالی(DFT) و در تصور خود ترتیب پیوند یک مولکول را تغییر دهد. یک شیمیدان نمی‌تواند این کار را انجام دهد. یک شیمیدان فقط می‌تواند آنچه را که طبیعت تعیین می‌کند که حالت پایه است، ترکیب کند. اما هیچ آرامشی در زمینه اتم‌های مصنوعی وجود ندارد. آنها نمی‌توانند به خودی خود تثبیت شوند و حرکت کنند، بلکه ما آنها را حرکت می‌دهیم.

این یافته بینش‌های ارزشمندی را در مورد رفتار اوربیتال‌های مولکولی و تعامل بین ساختارهای اتمی و خواص الکترونیکی حاصل ارائه می‌کند که به درک عمیق‌تر پیوندهای شیمیایی کمک می‌کند و به طور بالقوه راه را برای اکتشافات جدید در شیمی کوانتومی و علم مواد هموار می‌کند.

یافته‌های این مطالعه در مجله Science منتشر شده است.