ومن المعروف أن معظم المواد تستهلك قدرا كبيرا من الطاقة أثناء عملية التوصيل، في حين أن الموصل الفائق لا يكاد يكون لديه أي فقدان للطاقة أثناء الإرسال ويمكن أن يحمل تيار أعلى لكل سنتيمتر مربع ومع ذلك، فإن معظم الموصلات الفائقة تعمل حاليا فقط عند الصفر المطلق تقريبا العمل درجة الحرارة.
في عام 1911، وجد الفيزيائي الهولندي هايك كامرلينج أونس أن عينات الزئبق النقي فقدت مقاومتها عند درجات حرارة منخفضة من 4.22-4.27 K ثم وجدت ظواهر مماثلة في بعض المعادن الأخرى - وهي ظاهرة تعرف بالموصلية الفائقة. فاز هايك كامرلينج اونز بجائزة نوبل في الفيزياء لهذا العام.
الشكل 丨 هايكه كامرلينج أونس
ومع ذلك، وجد علماء الفيزياء أن عددا كبيرا من موصل جيد للكهرباء الأولي وسبيكة فائقة التوصيل درجة الحرارة الحرجة منخفضة جدا منخفضة جدا فائقة التوصيل درجة الحرارة يعني لتحقيق الموصلية الفائقة تطبيقات تضطر إلى الاعتماد على السوائل المبردة مكلفة - مثل الهيليوم السائل للحفاظ على درجة حرارة منخفضة البيئة مما أدى إلى زيادة حادة في تكلفة التطبيقات فائقة التوصيل، فإن تكلفة الحفاظ على درجات حرارة منخفضة حتى الآن أكثر من قيمة المواد في حد ذاتها حتى "ارتفاع درجة الحرارة" الموصلات الفائقة لا توجد إلا في درجة حرارة عالية نسبيا من الصفر المطلق: .. -140 ℃ إلى القول، اذا كنا نستطيع تحقيق مادي حقيقي الذي فائقة التوصيل في درجة حرارة الغرفة، لتجنب تكاليف التبريد مكلفة يمكن أن تتغير تماما حالة نقل الطاقة الفنية ذات الصلة، والنقل، والماسحات الضوئية الطبية.
اليوم من هايكه Kammerlingh أونز اكتشف الموصلية الفائقة لقد مرت 107 سنة، لا يزال الناس استكشاف الضغط المنخفض، خصائص فائقة التوصيل من المواد في درجات حرارة عالية ويستخدم لتحقيقه في الحياة، وهذا الهدف هو المهمة الأكثر أهمية للعالم المادي أ.
ولكن الهدف هو الحصول على أوثق وأقرب إلينا في 5 مارس، أفادت "الطبيعة" ورقة حتى نشر دراستين مهمة من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة هارفارد: طالما طبقتين من دوران الجرافين إلى محددة " زاوية السحرية "فرضه، فإنها يمكن إجراء الإلكترونات في مقاومة الصفر. من المرجح أن يجد الموصلات الفائقة درجة حرارة الغرفة العقود خطوة مهمة هذه النتيجة.
بالإضافة إلى الأوراق ذات الصلة المنشورة في الخارج، "الطبيعة" التي نشرت أيضا مقالا التعليق في اختراق.
ومن الجدير بالذكر أن أول مؤلف لكاتين كان طالب الدكتوراه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا البالغ من العمر 21 عاما تساو يوان.
الشكل شو تساو الأصلي، الذي ولد في عام 1996، من مواطنى مدينة تشنغدو، في عام 2010 اعترف لفئة الشباب USTC، وتحديد "الطبقة Yanjici التميز البدني، 2014 USTC الجامعية اعلى وسام - قوه المنحة الآن ماساتشوستس طالب دكتوراه في قسم الهندسة الكهربائية وعلوم الكمبيوتر في معهد البوليتكنيك من بابلو جاريلو-هيريرو ، فيزيائي معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا
وتشمل الشكل شو بابلو Jarillo-هيريرو، أستاذ مشارك MIT الفيزيائي المادة المكثفة. الجوائز جائزة الجمعية الملكية الإسبانية الباحث الشاب (2007)، وجائزة القومي الأميركي مؤسسة العلوم (2008)، ألفريد منحة سلون (2009) ، منحة ديفيد ولوسي باكارد (2009) وغيرها
ووفقًا للورقة ، قام الباحثون بتكديس طبقتين من الجرافين بزاوية 1.1 درجة من نمط ذرة الكربون ، ويمكن أن يكون للمادة الناتجة الموصلية الفائقة ، على الرغم من أن النظام لا يزال بحاجة إلى التبريد إلى 1.7 درجة فوق الصفر المطلق ، وتظهر النتائج أنه قد يكون موصلًا مثل الموصلات الفائقة ذات درجة الحرارة العالية المعروفة ، والتي أثارت اهتمام الفيزيائيين.
وتعتقد إيلينا باسكونس ، عالمة الفيزياء في معهد مدريد لعلوم المواد ، أنه "إذا تأكدت هذه النتيجة ، فقد يكون من المهم فهم HTS" ، وقال روبرت لافلين ، عالم الفيزياء بجامعة ستانفورد وحائز على جائزة نوبل: "يمكننا التطلع إلى في الأشهر القليلة المقبلة ، سيكون هناك أنشطة تجريبية مجنونة لملء الأجزاء المفقودة من المخطط.
واحدة من أبرز نتائج هذه الدراسة هي أنه يمكنك معرفة آلية الموصلية الفائقة غير التقليدية مثل الموصلية الفائقة لأكسيد النحاس من خلال التوصيل الفائق للجرافين ، ومع ذلك ، عندما أجري مقابلة مع تساو من قبل DT Jun ، قال إنه في المستقبل القريب ، ونحن نعتزم دراسة أكسيد النحاس المعنية مباشرة.
"وكما نعلم جميعا، وقد تمت دراسة هذا المجال منذ ما يقرب من 30 عاما وهي مستمرة في جميع أنحاء العالم هناك عدد كبير من الدراسات المخبرية من أكسيد النحاس. لدينا مختبر الأبحاث الرئيسي هو مادة ثنائي الأبعاد، وإعداد وتوصيف المواد ثنائية الأبعاد وقال ديك التكنولوجيا المحسنة الكبيرة والخبرة، وليس أي خبرة في الجوانب البحثية الأصلي تساو يونيو المواد التقليدية "DT.
مخطط شو من المواد ذات الصلة ثلاثة
لماذا هو الجرافين؟
بشكل عام، هناك نوعان تقريبا من الموصلات الفائقة: الموصلات الفائقة التقليدية التي يمكن تفسير نشاطها من خلال نظرية التوصيل الفائق السائدة، والموصلات الفائقة غير التقليدية، والتي لا يمكن تفسيرها من خلال النظريات السائدة.
ووفقا لدراسة حديثة أجراها فريق معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، فإن الموصلية الفائقة للجرافين تنتمي إلى هذا الأخير، وهي مشابهة لتلك التي توصل إليها الموصلات الفائقة غير التقليدية الأخرى، وهي موصلات فائقة أكسيد النحاس.
هنا يجب أن نذكر الموصلات الفائقة أكسيد النحاس، والتي هي موصل في درجات حرارة فوق الصفر المطلق في 133 درجة مئوية. الآلية الكامنة من الموصلات الفائقة أكسيد النحاس لا يزال لغزا، وقال لولين: ومن الآثار المدهشة أن الموصلية الفائقة لأكاسيد النحاس كانت دائما بسيطة وصعبة الفهم وحساب صحيح.
ومع ذلك، الموصلية الفائقة غير التقليدية مثل الموصلية الفائقة أكسيد النحاس هي الأكثر احتمالا لتحقيق الموصلية الفائقة في درجة حرارة الغرفة، حققت حوالي ناقص 140 درجة لتحقيق الموصلية الفائقة، ولكن نظام التوصيل الفائق أكسيد النحاس هو معقد جدا، والظروف التجريبية تتطلب تنفق الكثير من العمالة والموارد المادية، فمن الصعب إجراء دراسة المقبلة فعالة.
الشكل 丨 طبقتين من الجرافين إلى 1.1 درجة زاوية دوران، والمواد الناتجة لديها خصائص فائقة التوصيل
من قبيل الصدفة، تم اكتشاف الموصلية الفائقة الجرافين، والتي لديها زاوية تطور بين الطبقات، على الأقل في الوقت الراهن يبدو أن تكون متسقة مع ظاهرة أكسيد النحاس الموصلية الفائقة، ويتوقع الفيزيائيون أن وينبغي أن تكون الآلية متسقة أيضا.
وقد الجرافين مادة مذهلة، ولها خصائص مثيرة للدهشة: هذا أحادي الطبقة سداسية من ذرات الكربون التي تمتد من مادة تشبه ورقة وجود أقوى من الفولاذ، هو أفضل من النحاس وغيرها من موصل. تُظهر المواد أيضًا التوصيل الفائق عند لمسها ، ولكن يمكن تفسير هذا السلوك بواسطة الموصلية الفائقة التقليدية.
وعلاوة على ذلك، وهذه المواد هي الجرافين الجرافين بسيط نسبيا، والعلماء قد درسوا كما دقيق نسبيا أن العديد من البحوث الجرافين هو التركيز على كيفية الجرافين نوعية مستقرة إنتاجها بكميات كبيرة. لذلك، لدراسة استخدام الجرافين غير تقليدية ظاهرة فائقة التوصيل ، يمكن أن تسرع وتيرة العلماء على نحو فعال لتحقيق درجة حرارة فائقة التوصيل في درجة حرارة الغرفة.
وفي هذا الصدد، قال معهد مدريد للعلوم المواد الفيزياء ايلينا Bascones البحوث الجرافين على أكثر سهولة من الأجهزة أكسيد النحاس، هذا الجرافين أن تكون مفيدة لاستكشاف الانترنت الموصلية الفائقة. على سبيل المثال، من أجل استكشاف فائق التوصيل أكسيد النحاس السبب الجذري، الفيزيائيون غالبا ما تحتاج إلى أن تكون مادة للمجالات المغناطيسية الشديدة. "ضبط 'لهم لاستكشاف السلوكيات المختلفة، وهو ما يعني أن عددا كبيرا من التجارب التي يتعين الاضطلاع بها وكمية كبيرة من البيانات التي سيتم تجهيزها، بينما يستخدم الجرافين، فمن الممكن الفيزيائي ويتم الحصول على نفس النتيجة ببساطة عن طريق تعديل المجال الكهربائي.
الشكل 丨 الجرافين هو مادة الكربون ثنائية الأبعاد الطبقات من سمك الذري، عندما طبقتين من الجرافين الطبقات في زاوية محددة، ويمكن استخدامها كمواد فائقة التوصيل
"فائقة التوصيل السحر"
في إجراء التجربة، تساو يوان ومعلمه بابلو جاريلو هيريرو وفريقه لم يستكشف الموصلية الفائقة، ولكن بدلا من ذلك سعى لمعرفة كيف يمكن للزاوية انحراف الجرافين طبقة مزدوجة تؤثر على أداء الجرافين.
نظريا، فإنها يمكن أن تخمن فقط أن إزاحة الزاوي معين بين طبقات المواد ثنائية الأبعاد قد تحفز الإلكترونات لعبور طبقة المواد والتفاعل بطريقة ممتعة، ولكن لا أعرف بالضبط أي نوع من الطريقة.
ومع ذلك، اكتشف فريق تساو يوان قريبا بعض السلوك غير متوقع من طبقة مزدوجة الجرافين.
الشكل 丨 الجرافين
أولا، نتائج قياس الموصلية من كثافة الجسيمات الجرافين وهيكل تهمة الدفترية ضمن مما يدل على أن أصبح موت عازل (موت عازل) - وهذه المواد لها خصائص بين جميع المكونات لاستخدام موصل بالكهرباء، والجزيئات التفاعل سوف يمنعهم من التدفق.
وبعد ذلك، أنها تستخدم حقل كهربائي صغير لإضافة كمية صغيرة من حاملات الشحنة إضافية في النظام، مما يجعل الموصلات الفائقة. وبعد الحصول على هذه النتائج، كان هناك أموال فورية لتمويل فريقهم. وقال تساو معلمه السابق Jarillo-هيريرو، 'نحن استخدام أجهزة مختلفة للحصول على هذه النتائج والعمل مع المتعاونين لقياسها هو جزء واثق جدا من فريقنا. "
ثم، كيف يمكن تحقيق تأثير فائقة التوصيل من الجرافين ثنائية الطبقات؟ الجرافين أحادي الطبقة لديه خاصية تشتت الطاقة الخطية في نقطة محايدة تهمة لها.عندما يتم تكديس اثنين من غرافينس الانحياز، الفرقة سببها القفز بين الطبقات. يؤدي التهجين إلى تغيير في بنية النطاق المنخفض وفقا لترتيب التراص (آ أو أب التراص).
إذا كان وجود زاوية الالتواء إضافية، من نمط سداسية جديدة تتألف من بالتناوب AA المناطق وAB مكدسة تموج في النسيج (نمط تموج في النسيج) يظهر وظائف شعرية التشكيل. سوف Superlattice إمكانات أضعاف إلى بنية صغيرة عصابة من القماش منطقة Brillouin (منطقة Brillouin مصغرة MBZ)، وتأثير الهجين MBZ بين المجاور ديراك مخروط فيرمي تهمة تأثير سرعة في وجهة نظر محايدة، ونسبة الرسوم عند نقطة محايدة من 106 م / ث من قيمة نموذجية يتم تخفيض. زاوية مختلفة تطور سوف تحدد بنية الخلية المختلفة، وهذا هو، وتحديد تأثير ديراك بين المخاريط ديراك مختلفة.
إن الزاوية الخاصة التي تنخفض فيها سرعة فيرمي إلى الصفر هي "الزوايا السحرية" ، حيث تكون الزاوية الأولى تقريبًا 1.1 °. بالقرب من هذه الزاوية الملتوية ، يكون نطاق الطاقة قريبًا من محايد ، ونطاق الطاقة بأكمله الطاقة النموذجية للنطاق الترددي هو حوالي 5-10 فولت.
تظهر التجارب أن نتيجة تسطيح هذه العصابات هي كتلة فعالة كبيرة ، ويمكن فهم الحالة العازلة كنتيجة لمسابقة بين طاقة كولومب والطاقة الحركية الكمية ، والتي تجلب تأثير إنتاج حالة عزل في نصف الملء ، و يظهر سلوكًا مماثلًا للعوازل مثل Mott وفقًا لمختلف الزوايا الالتوائية ، يختلف تركيز المنشطات المطلوب لتحقيق حالة عازل مشابهة.
وكما ذكر أعلاه، حيث، فائقة التوصيل غير تقليدية (على سبيل المثال، وأكسيد النحاس) معزول من وجود مسافة قريبة جدا من فائق التوصيل عندما رسم الباحثون مرحلة الرسم لوصف العلاقة بين كثافة الإلكترونات ودرجة الحرارة من المواد، وجدوا في هذا الصدد، قال أكسيد النحاس موصل جيد للكهرباء مرحلة الرسم البياني نتائج مماثلة. Jarillo-هيريرو تقديم المزيد من الأدلة على أن آلية الموصلية الفائقة طبقة ثنائية الجرافين أكسيد النحاس قد تكون هي نفسها.
الشكل 丨 هيكل الجرافين الإلكترونية
وأخيرا، على الرغم من أن أداء الجرافين يمكن أن تكون موجودة في الموصلية الفائقة درجة حرارة منخفضة جدا، ولكن على النقيض من الموصلات الفائقة التقليدية، وتحقيق التوصيل في نفس درجة الحرارة، الجرافين الإلكترون ولادة كثافة فقط المواد فائقة التوصيل التقليدية أ.
وعلاوة على ذلك، الموصلات الفائقة التقليدية على تحقيق الاستقرار الموصلية الفائقة المواد يعتمد على زوج من الإلكترونات موصل، في حين أن عدد الإلكترونات متاح في الجرافين صغيرة، حيث إن الإلكترونات مثل أن الإلكترونات يمكن إقران في بعض الطريق، فإنه يشير إلى أن طرق وينبغي أن يكون التفاعل أقوى بكثير من الموصلات الفائقة التقليدية.
الشكوك الموصلية
ومع ذلك، فيما يتعلق بهذا البحث، وبعض علماء الفيزياء قد أعربت عن وجهات نظر مختلفة. معهد الفيزياء الفيزياء للدراسات المتقدمة من المدرسة الصناعية والكيميائية كامران Behnia قال انه لا يعتقد أنها يمكن أن يخلف الأصلي تساو أعلنت لوحظ موت بعد وقد أظهرت دولة عازل، على الرغم من النتائج التي توصل إليها الفريق أن الجرافين هو موصل جيد للكهرباء، ومن المرجح أن تكون فائقة التوصيل غير التقليدية.
وعلاوة على ذلك، لا يمكن للفيزيائيين بعد أن يقولوا على يقين من أن آلية فائقة التوصيل من أكسيد النحاس وذات طبقة مزدوجة موصلات فائقة الجرافين هو نفسه تماما، ثم، إذا أثبتت التجربة النهائية أن آليات اثنين مختلفة، ثم ما هي أهمية هذه التجربة؟ تجسد؟
لهذا السؤال، والجواب على الأصلي تساو لنا هو: "في المادة قارنا العلاقة بين درجة الحرارة التناوب الانتقال من الجرافين طبقة ثنائية في ولاية فائقة التوصيل وتركيز شبه الناقل، والتناوب وجدت طبقة ثنائية فائقة التوصيل الجرافين حتى غير تقليدية قوة الاقتران أكبر من الموصلات الفائقة أكسيد النحاس، وغيرها من الفرميونات الثقيلة، وأقرب إلى خط انتقال BEC-BCS (وفي السنوات الأخيرة جزءا حار جدا من فائقة التوصيل القائمة على الحديد مماثلة)، لذلك حتى لو آليتها الموصلية الفائقة والنحاس أكاسيد مختلفة، لماذا الدراسة وجود مثل هذه فائقة التوصيل الاقتران القوي هو من الناحية النظرية مثيرة جدا للاهتمام وفريدة من نوعها في مثل هذا النظام الجرافين التي تبدو بسيطة.
ويعتقد روبرت لولين، وهو فيزيائي في جامعة ستانفورد وحائز على جائزة نوبل، أنه "ليس من الواضح بعد ما إذا كان كل السلوك الذي يحدث في الموصلات الفائقة أكسيد النحاس يحدث في موصلات فائقة الجرافين، لذلك تحتاج إلى تطوير التجارب الجديدة ذات الصلة الحصول على موافقة من الجميع وقد تجولت الفيزيائيين في الظلام لمدة 30 عاما في محاولة لفتح أسرار أكسيد النحاس الموصلية الفائقة، وكثير منا نعتقد أن الضوء هو على وشك فتح.
(نو، هوانغ شان)
العنوان الأصلي: البالغ من العمر 21 عاما العلماء الصينيين ميت مع اثنين من أوراق "الطبيعة": من المتوقع أن يحقق انفراجا كبيرا في درجة حرارة الغرفة فائقة التوصيل، افتتح الجرافين واحدة من "السحر"