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- 發(fā)布時(shí)間2018-03-09 18:35
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1911年，荷蘭物理學(xué)家Heike Kamerlingh Onnes 驚訝地發(fā)現(xiàn)，當(dāng)汞被冷卻至接近絕對(duì)零度（零下273.15攝氏度）時(shí)，電子可以通行無“阻”。他將這個(gè)“零電阻狀態(tài)”稱為“超導(dǎo)電性”。
從那之后，物理學(xué)家就不斷地想要找到高溫超導(dǎo)材料，以應(yīng)用在日常生活之中。然而，大多數(shù)材料只有在接近絕對(duì)零度時(shí)，才會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)體。即使是所謂的“高溫”超導(dǎo)體也只是在相對(duì)意義上的：目前零電阻導(dǎo)電的最高溫度約為-140oC。如果有哪種材料能夠在室溫下表現(xiàn)出超導(dǎo)電性，就可以為能量傳輸、醫(yī)用掃描儀和交通領(lǐng)域帶來革命性的改變。
3月5日，物理學(xué)家在兩篇發(fā)表在《自然》期刊的論文中指出，當(dāng)兩層石墨烯以一個(gè)“魔角”扭曲在一起時(shí)，就能在零電阻下導(dǎo)電。更確切地說，物理學(xué)家將兩層只有原子厚的石墨烯以特別的角度堆疊在一起，當(dāng)碳原子間的排列呈1.1度（這個(gè)角度就是所謂的“魔角”）的角度偏移時(shí)，就會(huì)使材料變?yōu)槌瑢?dǎo)體。盡管該系統(tǒng)仍然需要被冷卻至絕對(duì)零度以上1.7度，但結(jié)果表明了它或許可以像已知的高溫超導(dǎo)體那樣導(dǎo)電。一旦該結(jié)果被確認(rèn)，此次的發(fā)現(xiàn)對(duì)于理解高溫超導(dǎo)電性至關(guān)重要。
其中一篇論文。兩篇論文的第一作者均為在麻省理工就讀的研究生Yuan Cao（曹原）。| 圖片來源：Nature
超導(dǎo)體大致可分為兩種類型：可被主流超導(dǎo)理論解釋的常規(guī)超導(dǎo)體，以及無法用主流理論解釋的非常規(guī)超導(dǎo)體。最新的研究結(jié)果顯示了石墨烯的超導(dǎo)行為是非常規(guī)的，并且表現(xiàn)出一些與另一種被稱為銅氧化物的非常規(guī)超導(dǎo)體相似的屬性。這種復(fù)雜的氧化銅可以在絕對(duì)零度的133度之上導(dǎo)電。三十年來，盡管在尋找室溫超導(dǎo)體的路上，銅氧化物一直是物理學(xué)家所關(guān)注的焦點(diǎn)，但其背后的機(jī)制依舊使他們困惑。
與銅氧化物相比，堆疊的石墨烯系統(tǒng)相對(duì)簡單，并且物理學(xué)家對(duì)它有著更好的理解。
魔術(shù)
石墨烯是一種以碳原子組成的六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜，是一種厚度只有一個(gè)碳原子大的二維材料。自石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來，其諸多優(yōu)異屬性一直令人印象深刻：它比鐵還要堅(jiān)固，比銅的導(dǎo)電性還要好等等。之前，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)了石墨烯的超導(dǎo)電性，但那只發(fā)生在它與其它材料接觸時(shí)，并且其超導(dǎo)行為可以用常規(guī)的超導(dǎo)電性解釋。
石墨烯具有許多令人驚喜的性質(zhì)，可以被應(yīng)用在許多方面。| 圖片來源：Image Guru
麻省理工的物理學(xué)家Pablo Jarillo-Herrero和他的團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行之初并不是為了研究超導(dǎo)電性。他們想要探索的是被稱為魔角的方向性會(huì)如何影響石墨烯。根據(jù)理論家的預(yù)測，若二維材料不同層間的原子以特定的角度偏移，可能會(huì)誘發(fā)電子在薄片中通過，并以有趣的方式作用——然而他們并不知道究竟會(huì)是什么方式。
在雙層薄片的實(shí)驗(yàn)設(shè)置中，他們立即就看見了意想不到的行為。首先，對(duì)石墨烯的導(dǎo)電性和其帶電粒子密度的測量中發(fā)現(xiàn)，這種構(gòu)造已成為一種莫特絕緣體（Mott insulator），這是一種擁有所有導(dǎo)電發(fā)生所必需成分的材料，但其粒子間的相互作用卻會(huì)阻止電子的自由移動(dòng)使得這一切無法發(fā)生。接下來，只需對(duì)其稍微施以微弱的電場，以在系統(tǒng)中增加一點(diǎn)額外的電荷載子，它就會(huì)成為超導(dǎo)體。
絕緣態(tài)的存在與超導(dǎo)電性如此接近是非常規(guī)超導(dǎo)體的標(biāo)志。當(dāng)研究人員繪制相圖（縱軸為材料的電子密度，橫軸為溫度）時(shí)，他們看到了與銅氧化物非常相似的圖案。這進(jìn)一步證明了該材料或許擁有超導(dǎo)電性機(jī)制。
在扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯中的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)：a. 當(dāng)雙層石墨烯被扭曲時(shí)，上層薄片被旋轉(zhuǎn)使得無法與下層薄片對(duì)齊，從而讓元胞（unit cell）得到擴(kuò)展（紅色）。b. 對(duì)于小角度的旋轉(zhuǎn)，就會(huì)出現(xiàn)所謂的“摩爾紋”（moiré pattern），其中局部堆疊的排列呈周期性變化。| 圖片來源：Nature
最后，盡管石墨烯要在超低溫下才會(huì)表現(xiàn)出超導(dǎo)電性， 但它僅需電子密度是常規(guī)超導(dǎo)體的萬分之一，就能在相同溫度下獲得超導(dǎo)能力。在常規(guī)的超導(dǎo)體中，這個(gè)現(xiàn)象只在當(dāng)振動(dòng)允許電子形成一對(duì)一對(duì)時(shí)才出現(xiàn)，成對(duì)的電子會(huì)穩(wěn)定它們的行進(jìn)路徑，使它們能在零電阻的情況下流動(dòng)。但由于石墨烯中可用的電子是如此之少，因此它們可以成對(duì)的事實(shí)表明系統(tǒng)中的相互作用要比在常規(guī)超導(dǎo)體中發(fā)生的強(qiáng)的多。
黑暗中尋找光明
關(guān)于在非常規(guī)超導(dǎo)體中電子會(huì)如何相互作用，物理學(xué)家各持己見。Robinson說：“高溫超導(dǎo)體的其中一個(gè)瓶頸是，到現(xiàn)在為止，我們都不知道究竟是什么將電子粘合成對(duì)的。”
Bascones表示，基于石墨烯系統(tǒng)要比銅氧化物更容易研究，因此它們將更有益于超導(dǎo)電性的探索。舉個(gè)例子，為了探索銅氧化物中超導(dǎo)電性的根源，物理學(xué)家通常需要將材料暴露在極強(qiáng)的磁場中。為了探索銅氧化物的不同行為，而對(duì)它們施以的”調(diào)節(jié)”，意味著不同樣本的研究量的不斷加大；而對(duì)于石墨烯而言，物理學(xué)家只需要簡單的調(diào)整電場就能達(dá)到同樣地效果。
物理學(xué)家 Kamran Behnia 就表示，雖然他承認(rèn)麻省理工團(tuán)隊(duì)的發(fā)現(xiàn)表明了石墨烯是超導(dǎo)體，并且很可能是不尋常的超導(dǎo)體，但他并不認(rèn)為他們可以篤定地宣稱自己看到了莫特絕緣態(tài)。
物理學(xué)家現(xiàn)在還無法肯定的說——這兩種材料中的超導(dǎo)機(jī)制是一樣的。諾獎(jiǎng)得主 Robert Laughlin 表示，現(xiàn)在還尚不清楚在銅氧化物中所看到的所有行為是否都可以發(fā)生在石墨烯中。但我們卻有理由在這些新的實(shí)驗(yàn)所呈現(xiàn)出的足夠多的超導(dǎo)行為中找到慶祝的理由。
為了更好地理解銅氧化物，物理學(xué)家已經(jīng)在黑暗之中已摸索了30年。而最新的發(fā)現(xiàn)，或許剛剛為物理學(xué)家點(diǎn)亮了一束光。
資料來源：中外學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài)，烯碳資訊編輯整理，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
