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- 發布時間2018-03-09 18:35
- 發布人金彩集團
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1911年，荷(he)蘭物理(li)學(xue)家Heike Kamerlingh Onnes 驚訝地發現(xian)，當(dang)汞(gong)被冷(leng)卻至接近絕對零度（零下273.15攝氏度）時(shi)，電子可以(yi)通行無“阻(zu)”。他將這個“零電阻(zu)狀(zhuang)態(tai)”稱為“超導電性”。
從那之后，物理學家就不斷地想要找到高(gao)溫超導材(cai)料(liao)，以應用在(zai)日(ri)常生(sheng)活之中。然而，大多(duo)數材(cai)料(liao)只有在(zai)接近絕(jue)對零度時(shi)，才會轉變為超導體。即使是所(suo)謂的“高(gao)溫”超導體也(ye)只是在(zai)相對意義上的：目前零電阻導電的最高(gao)溫度約為-140oC。如(ru)果有哪種材(cai)料(liao)能(neng)夠在(zai)室(shi)溫下表現出(chu)超導電性(xing)，就可以為能(neng)量傳輸、醫用掃描(miao)儀和交通(tong)領域帶來革命性(xing)的改變。
3月5日，物(wu)理學家(jia)在兩(liang)(liang)篇發表在《自然》期刊的(de)(de)論(lun)文(wen)中指出，當兩(liang)(liang)層石(shi)墨(mo)烯以(yi)一(yi)(yi)個“魔角”扭曲在一(yi)(yi)起時，就(jiu)能在零電阻下導(dao)電。更確(que)切地說，物(wu)理學家(jia)將兩(liang)(liang)層只有(you)原子(zi)厚的(de)(de)石(shi)墨(mo)烯以(yi)特別(bie)的(de)(de)角度(du)(du)堆(dui)疊(die)在一(yi)(yi)起，當碳原子(zi)間的(de)(de)排列呈1.1度(du)(du)（這個角度(du)(du)就(jiu)是所謂的(de)(de)“魔角”）的(de)(de)角度(du)(du)偏移時，就(jiu)會使材料變為超(chao)導(dao)體。盡管(guan)該(gai)系統仍然需要被(bei)冷卻(que)至絕對零度(du)(du)以(yi)上(shang)1.7度(du)(du)，但結果表明了它或許可以(yi)像已(yi)知的(de)(de)高溫(wen)超(chao)導(dao)體那樣導(dao)電。一(yi)(yi)旦該(gai)結果被(bei)確(que)認，此次的(de)(de)發現對于理解高溫(wen)超(chao)導(dao)電性至關(guan)重要。
其中一(yi)篇論(lun)文。兩篇論(lun)文的(de)(de)第一(yi)作者均為在麻省理工就(jiu)讀的(de)(de)研究生Yuan Cao（曹原）。| 圖片來源：Nature
超(chao)(chao)(chao)(chao)導體(ti)大致可分為(wei)(wei)兩(liang)種(zhong)類型：可被主流超(chao)(chao)(chao)(chao)導理論解(jie)釋(shi)的(de)(de)(de)(de)常(chang)規(gui)超(chao)(chao)(chao)(chao)導體(ti)，以(yi)及無法用主流理論解(jie)釋(shi)的(de)(de)(de)(de)非(fei)常(chang)規(gui)超(chao)(chao)(chao)(chao)導體(ti)。最新的(de)(de)(de)(de)研究結果顯示了石(shi)墨烯(xi)的(de)(de)(de)(de)超(chao)(chao)(chao)(chao)導行為(wei)(wei)是非(fei)常(chang)規(gui)的(de)(de)(de)(de)，并且表現出一(yi)些與另一(yi)種(zhong)被稱(cheng)為(wei)(wei)銅氧(yang)化(hua)物的(de)(de)(de)(de)非(fei)常(chang)規(gui)超(chao)(chao)(chao)(chao)導體(ti)相似的(de)(de)(de)(de)屬性。這種(zhong)復雜的(de)(de)(de)(de)氧(yang)化(hua)銅可以(yi)在(zai)絕對零度的(de)(de)(de)(de)133度之(zhi)上(shang)導電。三十(shi)年(nian)來，盡管在(zai)尋找室溫超(chao)(chao)(chao)(chao)導體(ti)的(de)(de)(de)(de)路上(shang)，銅氧(yang)化(hua)物一(yi)直是物理學家所關注的(de)(de)(de)(de)焦點，但其(qi)背后(hou)的(de)(de)(de)(de)機制依舊使他們困(kun)惑。
與銅(tong)氧化物相比(bi)，堆疊的石墨(mo)烯系(xi)統相對簡(jian)單，并(bing)且(qie)物理學家對它有著更(geng)好的理解。
魔術
石墨(mo)烯(xi)是一(yi)種(zhong)以(yi)碳原子組成的(de)六角形呈蜂巢晶格的(de)平面薄膜，是一(yi)種(zhong)厚度只(zhi)有一(yi)個碳原子大(da)的(de)二維材料。自(zi)石墨(mo)烯(xi)被發(fa)現以(yi)來，其諸多優異(yi)屬性(xing)一(yi)直令人印(yin)象(xiang)深刻(ke)：它比鐵(tie)還要堅固(gu)，比銅(tong)的(de)導(dao)電(dian)性(xing)還要好等(deng)等(deng)。之前，科學家就(jiu)發(fa)現了石墨(mo)烯(xi)的(de)超(chao)導(dao)電(dian)性(xing)，但那(nei)只(zhi)發(fa)生在它與其它材料接觸時(shi)，并且其超(chao)導(dao)行為可以(yi)用常規的(de)超(chao)導(dao)電(dian)性(xing)解釋。
石(shi)墨烯具有許(xu)多令人驚(jing)喜(xi)的性質，可以被應(ying)用在許(xu)多方面。| 圖(tu)片(pian)來(lai)源：Image Guru
麻省理工的物理學家Pablo Jarillo-Herrero和他的團隊在實驗進行之初并不是為了研究超導電性。他們想要探索的是被(bei)稱為魔角的方(fang)向性會如何影響石墨(mo)烯。根據理論家的預測，若二維材料不同層間的原子以特定的角度偏移，可能會誘發電子在薄片中通過，并以有趣的方式作用——然而他們并不知道究竟會是什么方式。
在雙層薄片的實驗設置中，他們立即就看見了意想不到的行為。首先，對石墨(mo)烯的導(dao)電性和其帶電粒子(zi)密度(du)的測量中發現，這種構造已成為一(yi)(yi)種莫(mo)特絕緣體（Mott insulator），這是一(yi)(yi)種擁有所(suo)有導(dao)電發生所(suo)必需(xu)成分的材料，但其粒子(zi)間的相互(hu)作用卻會阻止電子(zi)的自(zi)由移動使得(de)這一(yi)(yi)切無法(fa)發生。接下來，只需對其稍微施以微弱的電場，以在系統中增加一點額外的電荷載子，它就會成為超導體。
絕緣態(tai)的存在與(yu)超導電(dian)性如(ru)此(ci)接近是非(fei)常規超導體的標(biao)志。當研(yan)究人員(yuan)繪(hui)制(zhi)相圖（縱軸(zhou)為(wei)材料的電(dian)子密度，橫軸(zhou)為(wei)溫度）時，他們看(kan)到(dao)了與(yu)銅(tong)氧(yang)化物(wu)非(fei)常相似的圖案。這進(jin)一步證明了該材料或許擁(yong)有超導電(dian)性機制(zhi)。
在(zai)扭轉(zhuan)雙層(ceng)石墨(mo)烯(xi)中(zhong)的旋(xuan)轉(zhuan)效應：a. 當雙層(ceng)石墨(mo)烯(xi)被(bei)扭曲時，上層(ceng)薄片被(bei)旋(xuan)轉(zhuan)使得無法與(yu)下(xia)層(ceng)薄片對齊，從而讓(rang)元胞（unit cell）得到擴展（紅(hong)色）。b. 對于小角(jiao)度的旋(xuan)轉(zhuan)，就會出現(xian)所謂的“摩爾紋(wen)”（moiré pattern），其中(zhong)局部堆疊的排列呈周期(qi)性變化(hua)。| 圖片來源(yuan)：Nature
最后(hou)，盡(jin)管石(shi)墨烯(xi)要在超(chao)低溫下才(cai)會(hui)表現(xian)出超(chao)導電(dian)性(xing)， 但它(ta)(ta)僅需電(dian)子密度(du)是常(chang)規超(chao)導體的萬分之一，就能在相(xiang)(xiang)同(tong)溫度(du)下獲得超(chao)導能力。在常(chang)規的超(chao)導體中，這個現(xian)象只(zhi)在當(dang)振動允許電(dian)子形成一對(dui)(dui)一對(dui)(dui)時才(cai)出現(xian)，成對(dui)(dui)的電(dian)子會(hui)穩(wen)定它(ta)(ta)們的行進路徑(jing)，使它(ta)(ta)們能在零電(dian)阻的情(qing)況下流動。但由于石(shi)墨烯(xi)中可用(yong)的電(dian)子是如此之少，因(yin)此它(ta)(ta)們可以成對(dui)(dui)的事(shi)實(shi)表明系統中的相(xiang)(xiang)互(hu)作用(yong)要比在常(chang)規超(chao)導體中發生的強的多。
黑暗中尋找光(guang)明(ming)
關于在非常規超導(dao)體(ti)中電(dian)(dian)子會如何相(xiang)互作(zuo)用，物理(li)學(xue)家各持己見。Robinson說：“高溫超導(dao)體(ti)的其中一個(ge)瓶頸是，到現在為止，我(wo)們(men)都不知道究竟是什么(me)將電(dian)(dian)子粘合成對的。”
Bascones表示，基于石(shi)墨烯系統要(yao)(yao)比銅(tong)氧(yang)化(hua)(hua)物更容(rong)易研究(jiu)，因此它(ta)們將(jiang)更有益(yi)于超導電性的(de)探(tan)(tan)(tan)索。舉個例子，為了探(tan)(tan)(tan)索銅(tong)氧(yang)化(hua)(hua)物中超導電性的(de)根(gen)源，物理(li)學家通常需要(yao)(yao)將(jiang)材料暴露在極強的(de)磁(ci)場(chang)中。為了探(tan)(tan)(tan)索銅(tong)氧(yang)化(hua)(hua)物的(de)不同行為，而對(dui)它(ta)們施以(yi)的(de)”調(diao)節”，意味著不同樣(yang)本的(de)研究(jiu)量的(de)不斷加(jia)大；而對(dui)于石(shi)墨烯而言，物理(li)學家只需要(yao)(yao)簡單的(de)調(diao)整電場(chang)就能達到(dao)同樣(yang)地效果。
物理(li)學(xue)家(jia) Kamran Behnia 就表示，雖然(ran)他(ta)承認麻(ma)省理(li)工團隊的發現表明了石墨(mo)烯是超導體，并且很可能(neng)是不(bu)尋常的超導體，但他(ta)并不(bu)認為他(ta)們(men)可以篤(du)定地宣稱自己看(kan)到(dao)了莫(mo)特絕緣態(tai)。
物(wu)理(li)(li)學家(jia)現在(zai)(zai)還無法肯定的(de)(de)說——這(zhe)(zhe)兩種材料中(zhong)(zhong)的(de)(de)超(chao)(chao)導機制是一(yi)樣的(de)(de)。諾獎得(de)主 Robert Laughlin 表示(shi)，現在(zai)(zai)還尚不(bu)清楚在(zai)(zai)銅氧化(hua)物(wu)中(zhong)(zhong)所(suo)看到的(de)(de)所(suo)有行(xing)(xing)為是否都可以發生在(zai)(zai)石墨烯中(zhong)(zhong)。但我們卻有理(li)(li)由在(zai)(zai)這(zhe)(zhe)些新的(de)(de)實驗所(suo)呈(cheng)現出的(de)(de)足夠多的(de)(de)超(chao)(chao)導行(xing)(xing)為中(zhong)(zhong)找(zhao)到慶祝(zhu)的(de)(de)理(li)(li)由。
為了更好地理解銅氧化物，物理學家已經在黑暗之中已摸索了30年。而最新的發現，或許剛剛為物理學家點亮了一束光。
資料(liao)來源：中(zhong)外學術動態(tai)，烯碳資訊編輯整理(li)，轉(zhuan)載請(qing)注(zhu)明出處。
