Comme nous le savons tous, le matériau conducteur général dans le processus consomme beaucoup d'énergie, et le supraconducteur pendant la transmission est presque aucune perte d'énergie, peut transporter plus de courant par centimètre carré. Cependant, la plupart seulement à superconducteurs proche du zéro absolu Travail de température.
En 1911, le physicien néerlandais Heike Kammerlingh Onnes a découvert des échantillons de pure résistance au mercure disparait à basse température 4.22-4.27K, puis ils ont trouvé un certain nombre d'autres métaux ont le même phénomène - un phénomène connu sous le nom supraconductivité, 1913 Heike Kammerlingh Onnes a remporté le prix Nobel de physique pour cette année.
Figure 丨 Heike Kammerlingh Onnes
Cependant, les physiciens ont découvert qu'un grand nombre de supraconducteur élémentaire et alliage supraconducteur température critique est très faible si bas des moyens supraconducteurs de température pour réaliser des applications supraconductivité doivent compter sur des liquides cryogéniques coûteux - tels que l'hélium liquide pour maintenir la température basse l'environnement qui a conduit à une forte augmentation du coût des applications supraconductrices, le coût du maintien des températures basses, même beaucoup plus que la valeur de la matière elle-même, même « à haute température » superconducteurs existe seulement dans une température relativement élevée du zéro absolu: .. -140 ℃ à dire, Si nous pouvons obtenir un matériau réel qui est supraconducteur à température ambiante, afin d'éviter les coûts de refroidissement coûteux peuvent complètement changer l'état du transfert d'énergie d'art connexes, le transport et les scanners médicaux.
Maintenant que 107 années se sont écoulées depuis que Heike Kammerlingh Onnes a découvert la supraconductivité, les gens continuent de l'explorer et de l'appliquer à la basse pression et aux hautes températures, un but qui est aussi la mission la plus importante du monde physique Un
Mais cet objectif se rapproche de plus en plus de nous et, le 5 mars, deux articles de la revue Nature couvraient d'importantes recherches du MIT et de Harvard: il ne restait plus qu'à faire tourner deux couches de graphène Angle magique, "ils peuvent conduire des électrons avec une résistance nulle, une découverte qui est susceptible d'être une étape très importante dans la recherche de supraconducteurs à température ambiante pendant des décennies.
En plus de publier des essais pertinents, Nature a publié un article commentant cette percée majeure.
Il est à noter que les premiers auteurs des deux articles étaient Cao Yuan, un étudiant de doctorat de 21 ans au Massachusetts Institute of Technology.
Figure Shu Cao d'origine, né en 1996, originaire de Chengdu, en 2010 admis dans la classe USTC jeunesse et sélectionné « l'excellence physique de classe Yanjici », 2014 USTC la plus haute distinction de premier cycle - bourse Guo est maintenant Massachusetts Institut de génie électrique et informatique des étudiants en sciences de doctorat, sous la tutelle du physicien du MIT Pablo Jarillo-Herrero
Figure Shu Pablo Jarillo-Herrero, MIT professeur associé du physicien de la matière condensée. Les prix de incluent le Prix de la Société royale espagnole du jeune chercheur (2007), la National Science Foundation Award (2008), Alfred Sloan Scholarship (2009), Bourse David et Lucy Packard (2009), etc.
Selon le document, les chercheurs dans les couches superposées d'atomes de carbone de graphène et les modèles souhaités d'un angle de décalage de 1,1 °, la matière résultante peut avoir des caractéristiques supraconductrices. Bien que le système doit encore être refroidi à 1,7 degrés au-dessus du zéro absolu, mais les résultats suggèrent qu'il peut être comme supraconducteurs à haute température connu comme conducteur, qui a laissé des physiciens excités.
Science des Matériaux Madrid Institut physicien Elena Bascones pense, «Si cette découverte est confirmée, il peut être très important pour la compréhension de l'HTS. Physicien Stanford et lauréat du prix Nobel Robert Laughlin a dit: « Nous pouvons nous attendre à dans les prochains mois, il y aura des activités expérimentales folles pour remplir la partie manquante du plan.
L'un des moments forts de cette étude est que cela signifie que vous pouvez apprendre le mécanisme de graphène supraconducteur d'oxyde de cuivre supraconducteurs non conventionnels par un tel supraconducteur. Cependant, le Cao juin original dans une interview avec DT dit, pas dans un avenir proche nous avons l'intention d'examiner l'oxyde de cuivre directement impliqués.
« Comme nous le savons tous, ce domaine a été étudié depuis près de 30 ans et se poursuit, dans le monde entier, il existe un grand nombre d'études de laboratoire d'oxyde de cuivre. Notre principal laboratoire de recherche est un matériau à deux dimensions, la préparation et la caractérisation des matériaux en deux dimensions ont une technologie améliorée et une expérience considérables, et aucune expérience dans les aspects de la recherche d'origine Cao de matériaux traditionnels dit DT.
Shu diagramme des trois articles connexes
Pourquoi est-graphène?
En général, il existe à peu près deux types de supraconducteurs: les supraconducteurs conventionnels dont l'activité peut être expliquée par la théorie dominante de la supraconductivité, et les supraconducteurs non conventionnels, qui ne peuvent pas être expliqués par les théories dominantes.
Selon une étude récente de l'équipe MIT, la supraconductivité du graphène appartient à ce dernier et est similaire à celle d'autres supraconducteurs non conventionnels, les supraconducteurs à oxyde de cuivre.
Ici, nous devons mentionner les supraconducteurs d'oxyde de cuivre, qui sont conducteurs à des températures au-dessus du zéro absolu à 133 degrés C. Le mécanisme sous-jacent des supraconducteurs d'oxyde de cuivre reste un mystère, a déclaré Laughlin: L'implication surprenante est que la supraconductivité de l'oxyde de cuivre a toujours été simple, mais il est difficile d'être correctement compris et calculé.
Cependant, les supraconducteurs non conventionnels tels que les supraconducteurs à oxyde de cuivre sont plus susceptibles d'atteindre la supraconductivité à température ambiante.Aujourd'hui, la supraconductivité a été atteinte à moins de 140 degrés, mais le système de supraconductivité oxyde de cuivre est très compliqué, et les conditions expérimentales Il faut beaucoup de travail et de ressources pour faire de la recherche efficace dans la prochaine étape.
Figure 2. Deux couches de graphène tordues selon un angle de 1.1 ° Le matériau résultant a des propriétés supraconductrices.
Par coïncidence, le phénomène de la supraconductivité du graphène avec cet angle de torsion entre les piles a été découvert, et au moins les résultats des mesures de courant semblent être compatibles avec le phénomène de la supraconductivité de l'oxyde de cuivre. Le mécanisme devrait également être cohérent.
Le graphène est un matériau étonnant, des propriétés surprenantes: Cette monocouche hexagonal d'atomes de carbone étendant à partir d'un matériau en forme de feuille ayant fort que l'acier, il est préférable que le cuivre et l'autre conducteur. lorsque le matériau de contact présente également la supraconductivité, mais ce comportement peut être expliqué par la supraconductivité conventionnelle.
De plus, ce matériau est graphène relativement simple, les scientifiques ont étudié le graphène comme relativement complet que beaucoup de recherche sur le graphène se concentre sur la façon dont graphène stable qualité produite en grande quantité. Par conséquent, pour étudier l'utilisation du graphène non conventionnel Phénomène supraconducteur, peut effectivement accélérer le rythme des scientifiques pour atteindre supraconducteur à température ambiante.
À cet égard, Madrid Institut du matériel physicien science Elena Bascones dit que la recherche sur le graphène plus facilement que les dispositifs d'oxyde de cuivre, tels graphène être utile pour explorer Internet supraconductivité. Par exemple, afin d'explorer l'oxyde de cuivre supraconductrice la cause racine, les physiciens ont souvent besoin d'être matériel à des champs magnétiques extrêmes. les « ajuster » à explorer différents comportements, ce qui signifie qu'un grand nombre d'expériences à réaliser et une grande quantité de données à traiter, alors que le graphène est utilisé, il est physicien possible pour obtenir le même résultat en réglant simplement le champ électrique.
La figure Shu graphène est un atome de carbone en deux dimensions en couches un matériau épais, lorsque deux couches de graphène en couches superposées à un certain angle, il peut être utilisé en tant que matériau supraconducteur
La magie supraconductrice
En réalisant l'expérience, Cao Yuan et son mentor Pablo Jarillo-Herrero et son équipe n'essayaient pas d'explorer la supraconductivité, mais plutôt d'explorer comment l'angle de déviation du graphène bicouche affecte la performance du graphène.
Théoriquement, ils peuvent seulement deviner qu'un certain décalage angulaire entre les couches de matériau bidimensionnel peut induire des électrons à traverser la couche de matériau et interagir d'une manière intéressante, mais ne savent pas exactement quel type de Way.
Cependant, l'équipe de Cao Yuan a rapidement découvert un comportement inattendu de graphène à deux couches.
Figure 丨 graphène
En premier lieu, les résultats de mesure de la conductivité de la densité des particules de graphène et la structure de charge portant en ce qui indique qui est devenu isolant de Mott (Mott Insulator) - Ce matériau a des propriétés entre tous les ingrédients à utiliser électriquement conducteur, et les particules L'interaction les empêchera de couler.
, Ils utilisent ensuite un petit champ électrique d'ajouter une petite quantité de porteurs de charge supplémentaires dans le système, ce qui superconducteurs. Après avoir obtenu ces résultats, il y avait un fonds immédiats pour financer leur équipe. Cao ancien mentor Jarillo-Herrero a dit: « Nous Utiliser différents équipements pour obtenir ces résultats et mesurer avec des collaborateurs, c'est un point très sûr pour notre équipe.
Alors, quel est l'effet supraconducteur du graphène à deux couches? Le graphène monocouche possède une propriété de dispersion d'énergie linéaire à son point de charge neutre.Si deux graphènes alignés sont empilés, la bande due à des sauts intercouches L'hybridation entraîne une modification de la structure basse bande en fonction de l'ordre d'empilement (empilement AA ou AB).
S'il y a des angles de torsion supplémentaires, un nouveau motif de moiré à motif hexagonal consistant en des régions d'empilement alternées AA et AB apparaît et agit comme une modulation en treillis Le potentiel de superréseau plie la structure du ruban en mini-tissu Dans la zone MBZ de mini Brillouin, l'effet d'hybridation entre les pyramides de Dirac adjacentes dans MBZ a une influence sur la vitesse de Fermi au point neutre de charge, et la vitesse au point neutre de charge est de 106 m / s. La valeur typique est réduite: différents angles de torsion déterminent les différentes structures cellulaires, c'est-à-dire déterminent l'effet d'hybridation entre différents cônes de Dirac.
L'angle spécial auquel la vitesse de Fermi tombe à zéro est le «angle magique», où le premier angle est d'environ 1,1 ° .Après cet angle de torsion, la bande d'énergie est proche du neutre, et toute la bande d'énergie La quantité d'énergie typique dans une bande passante est d'environ 5-10 meV.
Des expériences ont montré que l'aplatissement de ces bandes d'énergie aboutit à une masse effective importante et que l'état isolant peut être compris comme le résultat d'une compétition entre l'énergie de Coulomb et l'énergie cinétique quantique, qui crée un état isolant au demi-remplissage. Le comportement des isolateurs est similaire à celui de Mott: en fonction des différents angles de torsion, la concentration de dopage requise pour obtenir un état d'isolant similaire est différente.
Comme mentionné ci-dessus, les supraconducteurs non conventionnels (tels que les oxydes de cuivre) sont caractérisés par l'existence d'un état isolant très proche de la supraconductivité.Les chercheurs ont tracé des diagrammes de phase pour décrire la densité électronique d'un matériau en fonction de la température. Des résultats de diagrammes de phase similaires avec des supraconducteurs à oxyde de cuivre, ce qui, selon Jarillo-Herrero, apporte une preuve supplémentaire que le mécanisme supraconducteur du graphène à deux couches avec de l'oxyde de cuivre peut être le même.
Structure électronique de graphène de graphène
Enfin, bien que le graphène puisse actuellement présenter une supraconductivité même à des températures très basses, comparé aux supraconducteurs classiques, la supraconductivité à la même température ne nécessite qu'un dixième de la densité électronique des matériaux supraconducteurs classiques. Un.
En outre, les supraconducteurs conventionnels atteignent matériau stabilisant la supraconductivité dépend de la paire d'électrons conducteurs, tandis que le nombre d'électrons disponibles dans les petits graphène, dans lequel, si les électrons de telle sorte que des électrons peuvent être couplés d'une manière quelconque, il indique que les moyens L'interaction devrait être beaucoup plus forte que les supraconducteurs conventionnels.
Des doutes conducteurs
Toutefois, en ce qui concerne cette recherche, certains physiciens ont exprimé des vues différentes. Institut Physicien physique des hautes études de l'Ecole industrielle et chimique Kamran Behnia il a dit qu'il ne croit encore qu'ils peuvent exiger d'origine Cao a annoncé observé Mott L'état de l'isolateur, bien que les résultats de l'équipe aient montré que le graphène est un supraconducteur et qu'il est susceptible d'être un supraconducteur non conventionnel.
De plus, les physiciens n'ont pas encore pu affirmer avec certitude que le mécanisme supraconducteur de l'oxyde de cuivre et des supraconducteurs à deux couches de graphène est exactement le même, alors quelle est la signification de cette expérience si les dernières expériences prouvent que les mécanismes ne sont pas identiques Réfléchir?
En réponse à cette question, Cao Yuan nous a répondu: «Dans cet article, nous avons comparé la relation entre la température de transition et la concentration de porteurs dans l'état supraconducteur d'un graphène tournant à deux couches et nous avons trouvé que supraconducteur La force d'appariement est encore plus grande que les supraconducteurs non conventionnels tels que l'oxyde de cuivre, fermions lourds, et plus proche de la ligne de transition BEC-BCS (similaire à la récente partie enflammée des supraconducteurs à base de fer), même si son mécanisme supraconducteur et cuivre Il est également théoriquement très intéressant et unique d'étudier pourquoi de telles paires supraconductrices fortes existent dans des systèmes de graphène apparemment simples en raison des différents oxydes.
Robert Laughlin, physicien de Stanford et lauréat du prix Nobel, estime qu '«il n'est pas encore clair si tout le comportement des supraconducteurs à oxyde de cuivre se produit dans les supraconducteurs au graphène. Il faut donc développer de nouvelles expériences pertinentes. Obtenir l'approbation de tout le monde Les physiciens ont erré dans le noir pendant 30 ans en essayant de percer les secrets de la supraconductivité de l'oxyde de cuivre, et beaucoup d'entre nous pensent que la lumière est sur le point de s'ouvrir.
(NW, Huang Shan)
Titre original: 21 ans MIT scientifiques chinois avec deux "Nature" papiers: la température ambiante supraconducteur devrait réaliser une percée majeure, le graphène a ouvert l'un des «magiques»