۱۱ آگوست ۲۰۲۵، عکس از نویسنده: نیتیکا والتر -تصویرسازی یک فلز دوبعدی (لایه میانی) که بین لایه‌ای از گرافن (بالا) و کاربید سیلیکون (پایین) قرار گرفته است.کونیان ژانگ/دانشگاه رایس
محققان دانشگاه رایس و همکارانشان به نمایش پیشگامانه‌ای از تداخل قوی بین فونون‌ها، واحدهای کوانتومی ارتعاشاتی که گرما و صدا را در مواد حمل می‌کنند، دست یافته‌اند.کشف آنها تداخلی دو مرتبه بزرگتر از هر تداخلی را که قبلاً مشاهده شده است، نشان می‌دهد و امکانات جدیدی را برای فناوری‌های حسگری و محاسبات کوانتومی فراهم می‌کند.
این پدیده که به عنوان رزونانس فانو شناخته می‌شود، زمانی رخ می‌دهد که دو فونون با توزیع فرکانسی متفاوت با یکدیگر تداخل می‌کنند و الگوهای متمایزی از تقویت یا حذف ایجاد می‌کنند – شبیه به موج‌های همپوشانی روی یک برکه.
کونیان ژانگ، محقق سابق فوق دکترا در دانشگاه رایس و نویسنده اول این مطالعه، گفت: “در حالی که این پدیده برای ذراتی مانند الکترون‌ها و فوتون‌ها به خوبی مطالعه شده است، تداخل بین فونون‌ها بسیار کمتر مورد بررسی قرار گرفته است.”
این یک فرصت از دست رفته است، زیرا فونون‌ها می‌توانند رفتار موجی خود را برای مدت طولانی حفظ کنند، و این آنها را برای دستگاه‌های پایدار و با کارایی بالا امیدوارکننده می‌کند.”
با اثبات اینکه فونون‌ها را می‌توان به طور مؤثر مانند الکترون‌ها یا نور مهار کرد، این کشف دری را به روی نسل جدیدی از فناوری‌های مبتنی بر فونون می‌گشاید.محققان با قرار دادن یک لایه فلزی دو بعدی (2D) روی یک زیرلایه کاربید سیلیکون با استفاده از روشی به نام هترواپیتاکسی محصورسازی به نتایج خود دست یافتند.
آنها تنها چند لایه از اتم‌های نقره را بین گرافن و کاربید سیلیکون قرار دادند و یک رابط محکم با خواص کوانتومی منحصر به فرد ایجاد کردند. ژانگ توضیح داد: «این فلز دوبعدی، تداخل بین حالت‌های ارتعاشی
مختلف در کاربید سیلیکون را تحریک و تقویت می‌کند و به سطوح بی‌سابقه‌ای می‌رسد.»
این تیم از طیف‌سنجی رامان، تکنیکی که حالت‌های ارتعاشی را اندازه‌گیری می‌کند، برای مطالعه چگونگی تداخل فونون‌ها استفاده کرد. طیف‌های حاصل، اشکال نامتقارن شدیدی را نشان دادند و در برخی موارد، فرورفتگی‌های کامل، الگوهای ضد رزونانس را تشکیل دادند که نشانه‌هایی از تداخل شدید هستند.
این پدیده به ماهیت دقیق سطح کاربید سیلیکون بسیار حساس بود، به طوری که سه انتهای سطح مختلف، هر کدام اشکال خط رامان متمایزی ایجاد می‌کنند.
نکته قابل توجه این است که وجود حتی یک مولکول رنگ روی سطح، باعث تغییرات چشمگیر در شکل خط طیفی می‌شود. ژانگ خاطرنشان کرد: «این تداخل آنقدر حساس است که می‌تواند وجود یک مولکول واحد را تشخیص دهد. این روش، تشخیص تک‌مولکولی بدون برچسب را با یک چیدمان ساده و مقیاس‌پذیر امکان‌پذیر می‌کند. نتایج ما مسیر جدیدی را برای استفاده از فونون‌ها در حسگری کوانتومی و تشخیص مولکولی نسل بعدی باز می‌کند.»
این مطالعه همچنین تأیید کرد که تداخل صرفاً از برهمکنش‌های فونون ناشی می‌شود نه از الکترون‌ها، که نمونه‌ای نادر از تداخل کوانتومی فقط فونون را نشان می‌دهد.این اثر فقط در سیستم ویژه دوبعدی فلز/کاربید سیلیکون مورد مطالعه ظاهر می‌شود و به دلیل مسیرهای گذار منحصر به فرد و پیکربندی‌های سطحی ایجاد شده توسط لایه فلزی نازک اتمی، در فلزات حجیم وجود ندارد.
با نگاهی به آینده، محققان در حال بررسی فلزات دوبعدی دیگر، مانند گالیوم یا ایندیوم، برای تکثیر و سفارشی‌سازی این اثر هستند.
شنگشی هوانگ، دانشیار دانشگاه رایس و نویسنده مسئول این مطالعه، گفت: «در مقایسه با حسگرهای معمولی، روش ما حساسیت بالایی را بدون نیاز به برچسب‌های شیمیایی خاص یا چیدمان پیچیده دستگاه ارائه می‌دهد. این رویکرد مبتنی بر فونون نه تنها حسگری مولکولی را پیشرفت می‌دهد، بلکه امکانات هیجان‌انگیزی را در برداشت انرژی، مدیریت حرارتی و فناوری‌های کوانتومی، که در آنها کنترل ارتعاشات کلیدی است، ایجاد می‌کند.»
این مطالعه که توسط بنیاد ملی علوم، دفتر تحقیقات علمی نیروی هوایی، بنیاد ولچ و دانشگاه شمال تگزاس حمایت شده است، در مجله Science Advances منتشر شده است.
