在回答這個問題以前,我們可能先要弄清楚什麼是石墨烯的超導!
我們知道當石墨烯薄片以“神奇的角度”旋轉時,可以形成超導體,其實它還可以是絕緣體。
自2004年發現以來,科學家們發現,花邊,蜂窩樣表的單層碳原子——石墨烯,不僅僅是世界上已知最薄的材料 ,比鋼強數百倍,比銅導電。現在,這種神奇的材料可以表現出更奇特的電子特性。
在去年發表在《自然》雜誌上的兩篇以曹原為第一作者關於“魔角”石墨烯的重磅論文。這名中科大少年班的畢業生、美國麻省理工學院的博士生髮現當兩層平行石墨烯堆成約1.1°的微妙角度,就會產生神奇的超導效應。論文中,石墨烯可以在兩種極端的電性條件下發揮作用:作為絕緣體,在絕緣體中電子完全被阻止流動;作為一種超導體,電流可以毫無阻力地透過。
將兩片石墨烯薄片堆疊在一起,形成了一個“超晶格”,不是精確地疊在一起,而是以1.1度的“神奇角度”輕輕旋轉。結果,疊加的六角形蜂窩狀圖案被輕微偏移,形成了一個精確的雲紋結構,預計會在石墨烯薄片中的電子之間引發奇怪的“強烈相關的相互作用”。
當以神奇的角度旋轉時,兩片石墨烯呈現出非導電行為,類似於一種被稱為Mott絕緣體的奇特材料。
然後,施加電壓,在石墨烯超晶格中新增少量電子時,發現在一定程度上,電子突破了最初的絕緣狀態,並無阻力地流動,就像透過超導體一樣。
對一個石墨烯晶格相對於另一個石墨烯晶格以“魔法角度”輕微旋轉時形成的雲紋圖案的大規模解釋。
材料導電的能力通常用能帶來表示。
單個能帶表示材料的電子能具有的能量範圍。
帶之間有一個能隙,當一個帶被填滿時,電子必須包含額外的能量來克服這個能隙,以便佔據下一個空帶。
如果最後一個被佔據的能帶完全充滿電子,材料就被認為是絕緣體。
另一方面,像金屬這樣的導電體表現出部分充滿的能帶,帶著電子可以自由移動的空能態。
然而,莫特絕緣體是一種材料,從它們的帶結構上看是導電的,但當測量時,它們表現得像絕緣體。
具體地說,它們的能帶是半滿的,但由於電子之間的強靜電相互作用(例如,同性電荷相互排斥),這種材料不導電。
半滿帶本質上分裂成兩個微型的,幾乎是平坦的帶,電子完全佔據一個帶而留下另一個空帶,因此表現為絕緣體。
所有的電子都被阻擋了,所以它是絕緣體,因為電子之間有很強的斥力,所以什麼都不能流動。
原來大多數高溫超導體的母體化合物都是Mott絕緣體。”換句話說,目前已經找到了操縱莫特絕緣體電子特性的方法,使它們在相對較高的100開爾文左右的溫度下變成超導體。
為了做到這一點,他們用化學方法將這種材料與氧“混合”,氧的原子將電子從Mott絕緣體中吸引出來,為剩餘的電子留下更多流動的空間。當加入足夠的氧氣時,絕緣體就會變成超導體。
在研究石墨烯的電子特性時,先從石墨中剝離一片石墨烯薄片,然後用塗有粘性聚合物和氮化硼絕緣材料的玻璃載玻片小心翼翼地將其中的一半剝離,從而建立了兩層超晶格。然後他們非常輕微地旋轉玻片,將石墨烯薄片的下半部分粘在玻片上。透過這種方式,將電極連線到每個裝置上,測量透過的電流,然後根據透過的原始電流繪製出裝置的電阻發現,石墨烯超晶格的旋轉角度為1.1度,被預測為一個“神奇的角度”,其電子結構類似於扁平帶結構,類似於Mott絕緣體,無論動量大小,所有電子都攜帶相同的能量。
對於電子來說,這意味著,即使它們佔據了一個半滿的能帶,一個電子也沒有比其他電子更多的能量,來讓它在這個能帶中運動。因此,儘管這樣的半填充帶結構應該像導體一樣工作,但它的行為卻像絕緣體,更準確地說,是Mott絕緣體。如果能在這些類似於莫特絕緣體的超晶格中新增電子,單個電子與石墨烯中的其他電子結合在一起,使它們能夠在以前無法流動的地方流動。
在整個過程中,繼續測量這種材料的電阻,發現當加入一定數量的少量電子時,電流不會耗散能量,就像超導體一樣。可以自由流動電流,不浪費能量,這表明石墨烯可以成為超導體。更重要的是,能夠調整石墨烯的效能,使其成為絕緣體或超導體,以及介於絕緣體和超導體之間的任何一種狀態。
而這種超導體的特徵在於室溫超導,是革命意義的!
超導性的一些技術應用包括:
1、基於SQUIDs(超導量子干涉器件)的靈敏磁力儀的研製。
2、快速數位電路(包括基於約瑟夫森結和快速單通量量子技術的電路)。
3、用於磁懸浮列車的超強超導電磁鐵、磁共振成像(MRI)和核磁共振(NMR)機器、磁約束4、聚變反應堆(例如託卡馬克),以及粒子加速器中的波束引導和聚焦磁鐵。
低損耗電纜。
5、射頻和微波濾波器(例如,用於行動電話基站,以及軍用超靈敏/選擇性接收器)。
6、快速故障電流限制器。
7、高靈敏度粒子探測器,包括過渡邊緣感測器、超導測輻射熱計、超導隧道結探測器、動電感探測器、超導奈米線單光子探測器。
8、軌道槍和捲筒槍磁鐵。
9、電機和發電機。
……
在回答這個問題以前,我們可能先要弄清楚什麼是石墨烯的超導!
我們知道當石墨烯薄片以“神奇的角度”旋轉時,可以形成超導體,其實它還可以是絕緣體。
自2004年發現以來,科學家們發現,花邊,蜂窩樣表的單層碳原子——石墨烯,不僅僅是世界上已知最薄的材料 ,比鋼強數百倍,比銅導電。現在,這種神奇的材料可以表現出更奇特的電子特性。
在去年發表在《自然》雜誌上的兩篇以曹原為第一作者關於“魔角”石墨烯的重磅論文。這名中科大少年班的畢業生、美國麻省理工學院的博士生髮現當兩層平行石墨烯堆成約1.1°的微妙角度,就會產生神奇的超導效應。論文中,石墨烯可以在兩種極端的電性條件下發揮作用:作為絕緣體,在絕緣體中電子完全被阻止流動;作為一種超導體,電流可以毫無阻力地透過。
將兩片石墨烯薄片堆疊在一起,形成了一個“超晶格”,不是精確地疊在一起,而是以1.1度的“神奇角度”輕輕旋轉。結果,疊加的六角形蜂窩狀圖案被輕微偏移,形成了一個精確的雲紋結構,預計會在石墨烯薄片中的電子之間引發奇怪的“強烈相關的相互作用”。
當以神奇的角度旋轉時,兩片石墨烯呈現出非導電行為,類似於一種被稱為Mott絕緣體的奇特材料。
然後,施加電壓,在石墨烯超晶格中新增少量電子時,發現在一定程度上,電子突破了最初的絕緣狀態,並無阻力地流動,就像透過超導體一樣。
對一個石墨烯晶格相對於另一個石墨烯晶格以“魔法角度”輕微旋轉時形成的雲紋圖案的大規模解釋。
材料導電的能力通常用能帶來表示。
單個能帶表示材料的電子能具有的能量範圍。
帶之間有一個能隙,當一個帶被填滿時,電子必須包含額外的能量來克服這個能隙,以便佔據下一個空帶。
如果最後一個被佔據的能帶完全充滿電子,材料就被認為是絕緣體。
另一方面,像金屬這樣的導電體表現出部分充滿的能帶,帶著電子可以自由移動的空能態。
然而,莫特絕緣體是一種材料,從它們的帶結構上看是導電的,但當測量時,它們表現得像絕緣體。
具體地說,它們的能帶是半滿的,但由於電子之間的強靜電相互作用(例如,同性電荷相互排斥),這種材料不導電。
半滿帶本質上分裂成兩個微型的,幾乎是平坦的帶,電子完全佔據一個帶而留下另一個空帶,因此表現為絕緣體。
所有的電子都被阻擋了,所以它是絕緣體,因為電子之間有很強的斥力,所以什麼都不能流動。
原來大多數高溫超導體的母體化合物都是Mott絕緣體。”換句話說,目前已經找到了操縱莫特絕緣體電子特性的方法,使它們在相對較高的100開爾文左右的溫度下變成超導體。
為了做到這一點,他們用化學方法將這種材料與氧“混合”,氧的原子將電子從Mott絕緣體中吸引出來,為剩餘的電子留下更多流動的空間。當加入足夠的氧氣時,絕緣體就會變成超導體。
在研究石墨烯的電子特性時,先從石墨中剝離一片石墨烯薄片,然後用塗有粘性聚合物和氮化硼絕緣材料的玻璃載玻片小心翼翼地將其中的一半剝離,從而建立了兩層超晶格。然後他們非常輕微地旋轉玻片,將石墨烯薄片的下半部分粘在玻片上。透過這種方式,將電極連線到每個裝置上,測量透過的電流,然後根據透過的原始電流繪製出裝置的電阻發現,石墨烯超晶格的旋轉角度為1.1度,被預測為一個“神奇的角度”,其電子結構類似於扁平帶結構,類似於Mott絕緣體,無論動量大小,所有電子都攜帶相同的能量。
對於電子來說,這意味著,即使它們佔據了一個半滿的能帶,一個電子也沒有比其他電子更多的能量,來讓它在這個能帶中運動。因此,儘管這樣的半填充帶結構應該像導體一樣工作,但它的行為卻像絕緣體,更準確地說,是Mott絕緣體。如果能在這些類似於莫特絕緣體的超晶格中新增電子,單個電子與石墨烯中的其他電子結合在一起,使它們能夠在以前無法流動的地方流動。
在整個過程中,繼續測量這種材料的電阻,發現當加入一定數量的少量電子時,電流不會耗散能量,就像超導體一樣。可以自由流動電流,不浪費能量,這表明石墨烯可以成為超導體。更重要的是,能夠調整石墨烯的效能,使其成為絕緣體或超導體,以及介於絕緣體和超導體之間的任何一種狀態。
而這種超導體的特徵在於室溫超導,是革命意義的!
未來的用途超導性的一些技術應用包括:
1、基於SQUIDs(超導量子干涉器件)的靈敏磁力儀的研製。
2、快速數位電路(包括基於約瑟夫森結和快速單通量量子技術的電路)。
3、用於磁懸浮列車的超強超導電磁鐵、磁共振成像(MRI)和核磁共振(NMR)機器、磁約束4、聚變反應堆(例如託卡馬克),以及粒子加速器中的波束引導和聚焦磁鐵。
低損耗電纜。
5、射頻和微波濾波器(例如,用於行動電話基站,以及軍用超靈敏/選擇性接收器)。
6、快速故障電流限制器。
7、高靈敏度粒子探測器,包括過渡邊緣感測器、超導測輻射熱計、超導隧道結探測器、動電感探測器、超導奈米線單光子探測器。
8、軌道槍和捲筒槍磁鐵。
9、電機和發電機。
……