@ 2018.03.08 , 10:00
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神奇石墨烯:既能超导,又能绝缘

神奇石墨烯:既能超导,又能绝缘
credit: 麻省理工学院

石墨烯是一种“神奇材料”,能够展现出两种极端的电学性能。麻省理工学院和哈佛大学的研究人员发现,它既可作为绝缘体(电荷无法通过材料),又可作为超导体(电子毫无障碍地通过材料,电阻为零)。

2004年,英国曼彻斯特的科学家首次制造出石墨烯。此后,科学家接连发现石墨烯具有令人震惊的性能。石墨烯是人类所知的最薄材料,大致就是一层蜂巢状的碳原子。它极其轻盈、格外灵活,单层每平方米仅重0.77毫克;但同时,它又比钢铁坚韧百倍。一头大象站在一根铅笔上,才能戳破一层保鲜膜厚度的石墨烯。此外,它的导电性远胜于铜,因此许多人认为它是未来“超级电子产品”的支柱。

之前,科学家通过向超导体金属掺杂石墨烯,合成石墨烯超导体——这样一来,石墨烯会“继承”超导体特性。如今,麻省理工学院的物理学副教授Pablo Jarillo-Herrero发现了一种新方法,能够让石墨烯自行成为超导体。

我们用“能带”来描述材料的导电能力,每个能带代表电子能够拥有的能量范围。能带之间存在“能隙”。若想跃过能隙,电子需要额外能量。完全被电子占据的能带是“满带”,满带中的电子不导电;部分被电子占据的能带是“导带”,导带中的电子会导电。所谓绝缘体,就是电子全都待在满带;所谓导体,就是存在部分被电子占据的能带。

然而,“莫特绝缘体”却是一种奇特的材料。从能带结构看,它应该能导电,但却是绝缘体。它之所以绝缘,是因为电子之间存在强烈的静电作用。因此,所有电子都被封锁,无法流动。莫特绝缘体非常重要,它是大多数高温超导体的母体化合物。

这回,研究人员发现:将两叠石墨烯叠在一起,并旋转至1.1度,它将呈现出类似莫特绝缘体的绝缘效果——无论动量如何,所有电子携带相同能量。然而,当研究人员为它施加电压、添加少量电子时,神奇的事情又发生了。在一定水平上,电子打破了绝缘状态,毫无阻力地流动,仿佛是超导体。

如今,科学家可以利用石墨烯,探究非常规的超导电性。我们甚至能想象石墨烯被制成超导晶体管——只要按下开关,就可以转换超导性能和绝缘性能。这为量子设备提供了许多可能性。

本文译自 zmescience,由译者 蛋花 基于创作共用协议(BY-NC)发布。
原作者:TIBI PUIU


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TOTAL COMMENTS: 22+1

  1. 哦耶和他聊
    @2 months ago
    3730722

    希望有生之年系列

  2. 望咪止渴
    @2 months ago
    3730737

    这个六边形的饼不错,量产日期,快了

  3. Cosecant
    @2 months ago
    3730740

    是不是可以探究超导的结构呢?还有为什么石墨是多层石墨烯构成的,强度却不高呢?好奇

  4. numberup
    @2 months ago
    3730750

    抓紧搞星际移民,把鸡蛋多分几个篮子

  5. 神tm平推
    @2 months ago
    3730762

    这个MIT的credit还需要着重强调一下里面的第一作者中科大少年班的曹原大神。

  6. 3730767

    不是说华为一直致力于石墨烯技术的研发,进度怎么样了

  7. 3730768

    @👭: 正忙着超越苹果呢

  8. 食品级怪蜀黍
    @2 months ago
    3730769

    石墨烯万能,石墨烯超神

  9. 门房秦大爷
    @2 months ago
    3730777

    中国的石墨烯研究也是进展的如火如荼,每个区域没有个石墨烯研究院似乎出门都没面子,但是一直没有一个合理的出口

  10. compete
    @2 months ago
    3730820

    “我们用“能带”来描述材料的导电能力”
    于其说是“描述”,不如说是“解释”。“描述”让人感觉能带与导电能力是一种正比关系-能带越宽导电力越强。实际上则复杂许多。

  11. 3730848

    下一代晶体管

  12. ferrytail
    @2 months ago
    3730885

    一作曹原,二十一岁,10届科大少年班出身

  13. 3730923

    大神96年的 看看自己……

  14. 佛罗伊德真科
    @2 months ago
    3730938

    百度了一下,石墨烯有物理剧毒!且无法降解!

  15. 3730944

    局座:“都是渣渣,石墨烯做衬衣才是正道……”

  16. 佛罗伊德真科
    @2 months ago
    3730950

    百度了一下,石墨烯有物理剧毒,且无法降解!

  17. 3730975

    Pablo Jarillo-Herrero只是通讯作者,第一作者都是 曹原

  18. 碧蓝右耳
    @2 months ago
    3731074

    大神,我们这种小民仰望就可以了。

    真大神就是小学阶段就可以碾压全校乃至全市,中学碾压全国,普通的考试根本没法测试出他的水平的存在。
    有个说法,最顶尖科学家和普通市民的脑力差异不亚于两个物种。大神看我们,和我们看黑猩猩是差不多的感觉。

  19. 佛罗伊德真科
    @2 months ago
    3731099

    @碧蓝右耳:

    官员也是这么看百姓的,两个物种。

  20. KidSlash
    @2 months ago
    3731152

    唉 大学学长 现在我还一篇paper的影子都没有

  21. 3731631

    难道不是因为石墨烯内部原子排布导致的电子云分布引发的拓扑绝缘性吗?

  22. 3731729

    @Cosecant: 层与层之间没有键

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