ساخت اتم های سزیم مصنوعی در شبیه ساز کوانتومی

به گزارش ایسنا به نقل از IA، 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 کامپیوترها و سیستم‌های کلاسیک ظرفیت شبیه‌سازی دنیای پیچیده را ندارند. دنیای کوانتومی مکانیک

شبیه سازهای کوانتومی به دانشمندان اجازه می دهد تا سیستم های کوانتومی را مطالعه کنند و مواد، خواص و پدیده های جدیدی را که قبلا ناشناخته بودند کشف کنند.

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

گروهی از دانشمندان اکنون یک شبیه ساز کوانتومی حالت جامد برای شبیه سازی اوربیتال های مولکولی ساخته اند. این گروه تحقیقاتی به سرپرستی الکساندر خواجتوریان از دانشگاه رادبود در هلند، از یک شبیه ساز کوانتومی برای ایجاد بنزن مصنوعی با استفاده از اتم های مصنوعی استفاده کردند.

ایجاد اتم های مصنوعی

این تیم تحقیقاتی تصمیم گرفتند اتم های سزیم مصنوعی بسازند. اولین مرحله انتخاب آنتی مونید ایندیم (InSb) به عنوان بستر بود. آنتیمونید ایندیم یک نیمه هادی باند باریک باریک است که رسانایی لازم، محصور شدن سطح و جداسازی از مواد حجیم را برای ایجاد اتم های مصنوعی و مطالعه موثر رفتار آنها فراهم می کند.

سپس این تیم از میکروسکوپ تونلی روبشی و تکنیک های طیف سنجی برای ایجاد محصور شدن سطحی الکترون ها بر روی سطح نیمه هادی استفاده کردند. به زبان ساده، آنها الکترون ها را به سطوح یا حالت های انرژی خاصی روی سطح نیمه هادی محدود کردند.

میکروسکوپ تونل زنی روبشی (STM) نوعی میکروسکوپ کاوشگر روبشی است که با اسکن یک سطح رسانا با نوک بسیار باریک (در محدوده چند نانومتر) و تغییر مقدار جریان عبوری بسته به فاصله کار می کند. با استفاده از این میکروسکوپ می توان آرایش اتم ها را روی سطح شبکه تجسم کرد. به عبارت دیگر، تصویر ایجاد شده آرایش فضایی نوار رسانای فلزی یا نیمه هادی را نشان می دهد. جریان در این نوع میکروسکوپ جریان مستقیم (DC) است و جریان به صورت نمایی با فاصله نوک از نمونه مرتبط است.

مرحله بعدی محلی سازی اتم سزیم بود. آنها از اتم های سزیم بسیار الکترومثبت یا اتم های سزیم استفاده کردند که الکترون ها را روی سطح نیمه هادی آزاد می کنند. اتم های سزیم الکترون ها را به حالت محدود در نوار نیمه هادی آزاد کردند و یک گاز الکترونی دو بعدی را تشکیل دادند.

این گاز الکترونی دو بعدی به شدت با مواد حجیم مرتبط نیست، به این معنی که رفتار و خواص گاز الکترونی دو بعدی نسبتا مستقل و متفاوت از خواص مواد حجیم است. این به آنها اجازه داد تا اتم های مصنوعی و ساختارهای مولکولی تشکیل شده از اتم های سزیم را مطالعه و دستکاری کنند.

در نهایت، آنها اتم های سزیم را در حالت های موضعی مرتب کردند، به طوری که ساختار شبیه یک اتم بدون هسته یا حلقه سزیم بود. این حلقه‌های سزیمی پتانسیل‌های الکترومغناطیسی مشابه پتانسیل‌های بین اتم‌های واقعی را نشان می‌دهند.

از اتم های مصنوعی گرفته تا مولکول های مصنوعی

این تیم کار خود را با مرتب کردن اتم های مصنوعی در مولکول های مصنوعی، از جمله بوتادین های مصنوعی و بنزن ادامه دادند.

بوتادین ها گروهی از ترکیبات آلی هستند که معمولاً در تولید لاستیک مصنوعی استفاده می شوند و بنزن یک ترکیب آلی است که در تولید مواد شیمیایی مختلف و به عنوان حلال در صنایعی مانند داروسازی، رنگ و چسب استفاده می شود.

محققان 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 بسیار مهم است زیرا توانایی اتم های مصنوعی را برای تقلید پیوندهای شیمیایی نشان می دهد که می تواند برای مطالعه مواد و خواص جدید مورد استفاده قرار گیرد.

دانیل وگنر، یکی از نویسندگان مقاله، در بیانیه‌ای مطبوعاتی گفت: «اکنون می‌توانیم با کدگذاری بر اساس نظریه تابعی چگالی (DFT) و تغییر ترتیب پیوند مولکول‌ها، بازی‌های ذهنی انجام دهیم که قبلاً فقط نظریه‌پردازان می‌توانستند. یک شیمیدان نمی تواند انجام دهد. یک شیمیدان فقط می تواند آنچه را که طبیعت به عنوان حالت پایه تعیین می کند سنتز کند. اما در زمینه اتم های مصنوعی صلح وجود ندارد. آنها نمی توانند به خودی خود تثبیت و حرکت کنند، اما ما آنها را حرکت می دهیم.

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

یافته های این مطالعه در مجله Science منتشر شد.

انتهای پیام