众所周知, 一般材料在导电过程中会消耗大量能量, 而超导体在传输过程中则几乎没有能量耗损, 还能在每平方厘米上承载更强的电流. 然而, 目前大多数超导体仅在接近绝对零度的温度下工作.
1911年, 荷兰物理学家 Heike Kammerlingh Onnes 发现纯的水银样品在低温4.22-4.27K时电阻消失, 接着又发现其他的一些金属也有类似的现象——这种现象被称为超导现象. 1913 年, Heike Kammerlingh Onnes 因此获得了当年的诺贝尔物理学奖.
图丨Heike Kammerlingh Onnes
然而, 物理学家发现, 大量单质和合金超导体的超导临界温度都很低. 如此低的超导温度意味着, 实现超导应用必须依赖于昂贵的低温液体——如液氦等来维持低温环境. 这导致超导应用的成本急剧增加, 维持低温的成本甚至远远超过了材料本身的价值. 即使是 '高温' 超导体也只存在于相对绝对零度的高温: -140℃. 也就是说, 如果能在真正室温下实现超导的材料, 就能避开昂贵的冷却费, 彻底改变能量传输, 医疗扫描仪和运输等相关领域的现状.
如今距离 Heike Kammerlingh Onnes 发现超导现象已经过去了 107 年, 人们仍在探索低压, 高温下实现材料超导性的方法并将其用于生活中, 这个目标也是应用物理界的最重大的使命之一.
但这个目标正在离我们越来越近. 就在 3月5日, 《Nature》连刊两文报道了来自麻省理工学院和哈佛大学的重要研究: 只要将两层石墨烯旋转到特定的 '魔法角度' 叠加时, 它们就可以在零阻力的情况下传导电子. 该发现很可能是数十年来寻找室温超导体十分重要的一步.
除了刊发相关的论文以外, 《Nature》还发表了一篇评论此次重大突破的文章.
值得一提的是, 两篇论文的第一作者均为年仅 21 岁的麻省理工学院博士生曹原.
图丨曹原, 1996年出生, 籍贯四川成都, 2010年考入中科大少年班, 并入选 '严济慈物理英才班' , 是2014年中科大本科生最高荣誉奖——郭沫若奖学金获得者. 现为麻省理工学院电气工程与计算机科学系博士生, 师从麻省理工学院物理学家Pablo Jarillo-Herrero
图丨Pablo Jarillo-Herrero, 麻省理工学院副教授, 凝聚态物理学家. 所获的奖项包括西班牙皇家学会青年研究者奖(2007), 美国国家科学基金会奖(2008), 艾尔弗雷德斯隆奖学金(2009), 戴维和露西帕卡德奖学金(2009)等
根据论文, 研究人员将两层石墨烯在叠加并使其碳原子图案偏移 1.1°的角度, 最后得到的材料就能具有超导特性. 尽管该系统仍需要冷却到绝对零度以上1.7度, 但结果表明, 它可能像已知的高温超导体一样导电, 这已让物理学家兴奋不已.
马德里材料科学研究所物理学家 Elena Bascones 认为, '如果这一发现得到证实, 可能对理解高温超导十分重要' . 斯坦福大学的物理学家, 诺贝尔奖获得者 Robert Laughlin 说, '我们可以期待在接下来的几个月里, 会有疯狂的实验活动来填补蓝图中缺失的部分' .
此次研究的一大亮点在于, 它意味着可以通过石墨烯超导来学习铜氧化物超导这类非常规超导的机理. 不过, 曹原在接受 DT 君专访时称, 近期内并不打算直接参与铜氧化物的研究.
'众所周知, 这个领域已经被研究了近 30 年并且仍在继续, 世界范围内有大量的实验室在研究铜氧化物. 我们实验室主要研究的是二维材料, 在二维材料的制备和表征方面有相当完备的技术和经验, 而在研究传统材料方面还没什么经验' , 曹原对 DT 君表示.
图丨此次的三篇相关文章
为什么是石墨烯?
通常而言, 超导体大致有两种类型的: 常规的超导体, 即其活动可以用超导的主流理论来解释;非常规的超导体, 即不能用主流理论解释的.
而根据 MIT 团队的最新研究, 石墨烯的超导行为属于后者, 并且与其他的非常规超导体——铜氧化物超导体的活动类似.
在这里, 我们不得不提一下铜氧化物超导体. 这类复杂的氧化铜材料在绝对零度以上133度时能够导电, 但铜氧化物超导体其潜在的机制仍然是个谜. Laughlin说: '这其中令人惊叹的暗示便是, 铜氧化物的超导性一直都很简单, 却很难被正确地理解和计算. '
可是, 铜氧化物超导这类非常规超导是最有可能实现室温超导的, 目前已经实现零下140度左右实现超导, 但铜氧化物超导的系统又很复杂, 且实验条件需要花费大量的劳力物力, 所以很难进行有效的下一步研究.
图丨两层石墨烯以1.1°的角度扭转, 得到的材料具有超导特性
巧的是, 此次这种层叠间有扭转角度的石墨烯超导现象被发现了, 至少目前测量的结果看起来和铜氧化物超导的现象是一致的. 物理学家们推测, 其背后的机理应该也是一致的.
石墨烯一直是一种神奇的材料, 具有令人惊讶的特性: 这种由单层碳原子以六边形延伸构成的片状材料比钢还强, 比铜导电性还好. 它在与其他材料接触时, 也曾表现出超导性, 但这种行为可以用常规超导性来解释.
而且, 石墨烯这种材料比较简单, 科学家已经对石墨烯研究得算比较透彻, 目前石墨烯的不少相关研究正在聚焦如何大量制备稳定的优质的石墨烯. 所以, 利用石墨烯来研究非常规超导现象, 可以有效加快科学家实现室温超导的步伐.
对此, 马德里材料科学研究所物理学家 Elena Bascones 表示, 基于石墨烯的器件比铜氧化物更容易研究, 使得石墨烯成为探索超导电性的有用平台. 例如, 为了探索铜氧化物超导性的根源, 物理学家经常需要将材料置于极端磁场中. '调整' 它们来探索不同的行为, 这意味着大量实验要进行和大量数据要处理. 而使用石墨烯的话, 物理学家则可以通过简单地调整电场来获得相同的结果.
图丨石墨烯是原子厚度的层状二维碳材料, 当两层石墨烯以特定角度分层叠加时, 可用作超导材料
'超导魔法'
在开展实验时, 曹原和他的导师 Pablo Jarillo-Herrero及其团队并不是为了探究超导. 相反, 他们是为了探究双层石墨烯的偏转角度会如何影响石墨烯的性能.
从理论上来讲, 他们只能猜测二维材料层之间的特定角度偏移可能会诱发电子穿过材料层, 并以一种有趣的方式进行交互, 但不知道究竟是以一种什么样的方式.
然而, 曹原所在团队很快就发现了双层石墨烯一些意想不到的行为.
图丨石墨烯
首先, 石墨烯的导电率和其内携带电荷的颗粒密度的测量结果表明该结构已成为莫特绝缘体(Mott Insulator)——这种材料具有利用其所有成分来导电的特性, 且颗粒之间的相互作用会阻止它们流动.
接下来, 他们利用一个小电场向系统中添加少量额外的电荷载体, 使之成为超导体. 在得到以上这些结果后, 马上就有资金资助他们团队了. 曹原的导师 Jarillo-Herrero 表示, '我们使用不同的设备都得到这些结果, 并与合作者一起进行测量, 这是我们团队十分有自信的一点. '
那么, 双层石墨烯的超导效果是如何实现的呢?单层石墨烯在其电荷中性点处具有线性能量分散特性. 当两个对齐的石墨烯层叠时, 由于层间跳跃引起的带的杂化导致根据堆叠顺序(AA或AB堆叠)对低能带结构进行改变.
如果存在额外的扭转角, 则由交替的 AA 和 AB 堆叠区域组成的新六边形图案摩尔纹(moiré pattern)出现且起到晶格调制的作用. 超晶格电势将带结构折叠成迷你布里渊区(mini Brillouin zone MBZ), MBZ 中相邻狄拉克锥体之间的杂化效果对电荷中性点处的费米速度有影响, 该电荷中性点处的速度从106 m/s的典型值降低. 不同扭转角会决定不同的晶胞结构, 即决定不同的狄拉克锥体之间的杂化效果.
当费米速度下降到零的点所在的特殊角度, 即 '魔法角度' (magic angles), 其中第一个角度约为1.1°, 在这个扭转角附近, 能带接近电中性, 整个能带带宽的典型能量大小约为5-10 meV.
实验证明, 这些能带的平坦化带来的结果是大的有效质量. 而绝缘态又能理解为库伦能量与量子动能之间较量的结果, 带来在半填充处产生绝缘状态的效果, 并且展示出与莫特类似的绝缘体行为一致的特性. 根据不同的扭转角度, 所需的掺杂浓度来达到莫特类似的绝缘体状态也不一样.
如上文提到的, 非常规超导体(如铜氧化物)的特征是存在与超导性非常接近的绝缘状态. 当研究人员绘制了相图来描述材料的电子密度与温度的关系时, 他们发现了与铜氧化物超导体相似的相图结果. 对此, Jarillo-Herrero 表示, 这提供了进一步的证据, 证明双层石墨烯与铜氧化物的超导机制可能是一样的.
图丨此次的石墨烯电子结构
最后, 尽管石墨烯目前也能在非常低的温度下表现出超导性, 但对比常规超导体而言, 在相同温度下实现超导时, 石墨烯只需传统超导材料电子密度的万分之一.
此外, 常规超导体材料的超导特性的实现依赖于成对电子的稳定导电, 而石墨烯中可用的电子数量很少, 若其中的电子能够以某种方式使得电子配对的话, 这说明该种方式的相互作用应该比常规超导体的要强得多.
导电性疑惑
然而, 关于此次研究, 一些物理学家也表达了不同的看法. 巴黎高等工业物理和化学高级研究所的物理学家 Kamran Behnia 表示, 他目前还不相信曹原他们可以确切宣布观测到莫特绝缘体的状态, 尽管该团队的发现已经表明石墨烯是一种超导体, 并且很可能是个非常规超导体.
而且, 物理学家还不能确定地说, 铜氧化物和双层石墨烯超导体的超导机制是完全相同的. 那么, 如果最后实验证明二者的机制不一样, 那此次实验的研究意义如何体现?
对于这个问题, 曹原对我们的回答是: '在文章中我们比较了旋转双层石墨烯的超导态中的转变温度和载流子浓度的关系, 发现旋转双层石墨烯中的超导配对强度甚至比铜氧化物, 重费密子等非常规超导体更大, 更接近于BEC-BCS转变线(和近年非常火热的部分铁基超导相近). 所以即使它的超导机理和铜氧化物不同, 研究为什么在看似如此简单的石墨烯系统中会存在这样强的超导配对也是在理论上非常有意思, 独特的. '
斯坦福大学的物理学家, 诺贝尔奖获得者 Robert Laughlin 则认为, '目前还不清楚是否在铜氧化物超导体中出现的所有行为都会发生在石墨烯超导体中, 所以新的相关实验需要开展, 才能获得大家的认可. 物理学家们已经在黑暗中徘徊了30年, 试图解开铜氧化物超导的秘密, 我们许多人认为, 灯才刚刚打开. '
(NW, 黄珊)
原标题: 21岁MIT中国科学家连发两篇《Nature》论文: 室温超导有望实现重大突破, 石墨烯揭开其中 '魔法'