石墨烯超导有重大发现

近日,世界顶级科技期刊《自然》连刊两文,刊登了麻省理工学院PabloJarillo-Herrero教授课题组关于石墨烯超导的重大发现,该研究提出,当两层石墨烯以一个“魔角”扭曲在一起时,就能在零电阻下导电。

这一研究突破很快引发学界关注。而更让国人关注的,是该文第一作者为从深圳走出的22岁“天才”曹原。近日,南方日报记者采访多名专家获悉,此次研究创造性在于,用简单的结构实现了超导现象,而且机制与高温超导非常相似,虽然目前无法确定该系统与高温超导机制一样,但结果表明,此次发现对于理解高温超导电性至关重要。

石墨烯超导并非新课题

超导,顾名思义就是超级导电。1911年,荷兰物理学家昂内斯发现,当汞被冷却至接近绝对零度(零下273.15摄氏度)时,汞的电阻突然消失,电子可以通行无“阻”。随后,他又发现多种金属和合金在低温条件下都具有与汞相类似的电阻消失的特性,这一“零电阻状态”即超导电性。

此后,物理学家一直试图解开超导的秘密,不断寻找超导材料,以应用在日常生活之中。实际上,生活中处处都是超导材料,例如铝、钙、铅等。此外,一些非金属材料在高压下也是超导体,例如硅、磷等。不过,在实际生活中很少用到这些材料的超导特性,因为大多数材料只有在接近绝对零度时,才会转变为超导体。

上世纪80年代,华人科学家朱经武、吴茂坤以及中国科学家赵忠贤等人研发出了高温超导体,将超导体的最高临界温度提高到了零下108摄氏度附近。不过,这里所指的“高温”,是相对意义上的。

石墨烯超导并不是一个新课题。中国科学院物理研究所副研究员罗会仟说,科学家们此前已经开始研究石墨烯的超导电性,石墨烯超导特性的实现过程,还是通过将其掺杂或者放入到超导材料中。

神奇“魔角”催生奇妙现象

发表在《自然》期刊的两篇论文,刊登了麻省理工学院的物理学家PabloJarillo—Herrero和他的团队课题组关于石墨烯超导的重大发现。据悉,在实验之初,团队想要探索的是被称为“魔角”的方向性会如何影响石墨烯,而不是为了研究超导电性。

实验团队认为,若石墨烯二维材料不同层间的原子以特定的角度偏移,可能会诱发电子在薄片中通过,并以有趣的方式来作用——然而,他们并不知道究竟会是什么方式。

作者利用他们之前发明的“拉堆技术”,成功将两层石墨烯经过“扭转”后叠套在一起,形成扭曲的双层石墨烯结构,当碳原子间的排列呈1.1度,这个角度就是所谓的“魔角”。

在双层石墨烯碳原子间排列成“魔角”时,让人意想不到的情况发生了。论文作者提出,他们在对石墨烯的导电性和其带电粒子密度的测量中发现,结果显示非常类似高温超导母体材料中的莫特绝缘体行为。接下来,再对其稍微施以微弱的电场,以在系统中增加一点额外的电荷载子,它就会成为超导体。

而且,在莫特绝缘体两侧不同载流子浓度下,均出现了抛物线型的超导区,这和高温超导的电子态相图如出一辙,这进一步证明了该材料或许拥有超导电性机制。

从母体中的莫特绝缘态,到掺杂样品中的二维超导态,“魔角”石墨烯都神奇地“模拟”了高温超导中的物理现象。

这一研究结果显示,石墨烯的超导行为表现出一些与高温超导相似的属性。尽管石墨烯要在超低温下才会表现出超导电性,但它仅需电子密度是常规超导体的万分之一,就能在相同温度下获得超导能力。

或可揭开超导的真相

论文作者在某网站发表文章指出,此次研究的主要意义在于,“魔角”石墨烯的发现,提供了一个相似但更加可调控的体系研究高温超导问题,并供物理学家研究。

中科大物理学院教授曾长淦曾是曹原的指导老师,他说,石墨烯是一种非常简单的结构,对于传统的超导而言,它很轻,软而坚固,是由碳元素组成的单质,在这种情形里面对于研究它的超导机制是非常有帮助的,方便做一些研究,“基于石墨烯的研究我们可以揭开超导的真相”。

罗会仟表示,一般来说,为了探索超导电性的机制,物理学家通常需要将材料暴露在极强的磁场中,难度非常大。而对于石墨烯而言,物理学家只需要简单地调整电场就能达到同样的效果,基于石墨烯系统较为简单,比铜氧化物更容易研究,因此它们将更有益于超导电性的探索。

曾长淦说,目前这一研究仍停留在实验阶段,“它的主要价值还是物理上的价值,它有助于我们去寻找真正的高温超导体”。有业内人士表示,如果一旦确认石墨烯与高温超导的机制相同,或许可为了解高温超导的机制打开一扇大门。

22岁的论文第一作者曹原:

探究学习能力强在家曾建实验室

论文刊发后,22岁的第一作者曹原也引起众多关注。曹原1996年出生于成都,3岁随父母迁入深圳。2007年9月,因成绩突出,曹原被选拔进入深圳耀华实验学校。据他的中学老师回忆,曹原在基础教育阶段就已展露了非同寻常的科学天赋。

曹原的中学物理老师黄佳堂记得,中学阶段的曹原是个活泼淘气的男孩,动手能力非常强。中学阶段,曹原还在家里搭了一个小实验室,并购置了一批化学、物理的实验仪器,经常在家实验。

中学时,曹原与学校另外两名学生展现出了强大的主动探究学习的能力,针对三人的学习能力和个性需求,学校将3人单独成班,并制定了科学系统的以培养学生自主学习为核心的教学模式。在此教学模式下,他们3人一年完成初中课程、一年完成高中课程,于2010年提前参加高考。当年,曹原以669分的高考成绩,被中科大录取。

看到大洋彼岸的学生在超导研究中作出成果,黄佳堂难掩激动之情。“在上课时,我给他讲过超导的知识,也讲过目前物理界关于超导研究的难题,但没想到曹原在这个领域作出了深入的研究,有了现在的成果,我为他感到骄傲!”