Wie wir alle wissen, wird das allgemeine leitendes Material in dem Prozess viel Energie verbrauchen, und der Supraleiter während der Übertragung ist nahezu kein Energieverlust, mehr Strom pro Quadratzentimeter tragen kann. Allerdings sind die meisten Supraleiter nur bei nahe dem absoluten Nullpunkt Temperaturarbeit.
Im Jahr 1911 der niederländische Physiker Heike Kammerlingh Onnes entdeckt Proben von reinem Quecksilber Festigkeit bei niedrigeren Temperaturen verschwinden 4.22-4.27K, dann fanden sie eine Reihe anderer Metalle haben ähnliches Phänomen - ein Phänomen, das als Supraleitung, bekannt 1913 Heike Kammerlingh Onnes wurde für dieses Jahr mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.
Abbildung 丨 Heike Kammerlingh Onnes
Jedoch haben Physiker herausgefunden, dass die supraleitenden kritischen Temperaturen für große Mengen von einfachen Supraleitern aus Substanz und Legierung niedrig sind, und solch eine niedrige Supraleitungstemperatur bedeutet, dass supraleitende Anwendungen auf teure kryogene Flüssigkeiten wie flüssiges Helium angewiesen sind, um niedrige Temperaturen aufrechtzuerhalten Dies führte zu einem starken Anstieg der Kosten für supraleitende Anwendungen, die Kosten für die Aufrechterhaltung niedriger Temperaturen sogar weit über den Wert des Materials selbst hinaus. Obwohl die "Hochtemperatur" -Supraleiter nur bei einer relativ absoluten Temperatur von Null existieren: -140 ° C. Die Fähigkeit, supraleitende Materialien bei Raumtemperatur zu erreichen, kann kostenintensive Kühlungskosten vermeiden und den Stand der Technik in Bezug auf Energieübertragung, medizinische Scanner und Transport revolutionieren.
Jetzt, da 107 Jahre vergangen sind, seit Heike Kammerlingh Onnes die Supraleitung entdeckt hat, erforschen und wenden die Menschen sie noch bei niedrigem Druck und hohen Temperaturen an - ein Ziel, das auch die wichtigste Aufgabe der physischen Welt ist Eins
Aber dieses Ziel kommt uns immer näher und am 5. März haben zwei Artikel in der Zeitschrift Nature wichtige Forschungsergebnisse des MIT und der Harvard University behandelt: zwei Schichten Graphen in spezifische 'Spins' gedreht. Magischer Winkel ", sie können Elektronen mit null Widerstand leiten, ein Befund, der wahrscheinlich ein sehr wichtiger Schritt bei der Suche nach Supraleitern für Raumtemperatur für Jahrzehnte ist.
Neben der Veröffentlichung von Artikeln veröffentlichte Nature auch einen Artikel, der diesen wichtigen Durchbruch kommentierte.
Es ist erwähnenswert, dass die ersten Autoren der beiden Arbeiten Cao Yuan, ein 21-jähriger Doktorand am Massachusetts Institute of Technology, waren.
Abbildung Shu Cao Original, geboren 1996, stammt aus Chengdu, im Jahr 2010 auf die USTC Jugendklasse zugelassen, und ausgewählte ‚Klasse Yanjici physische Exzellenz‘, 2014 USTC Bachelor höchste Auszeichnung - Guo Stipendium ist jetzt Massachusetts Doktorand in der Abteilung für Elektrotechnik und Informatik am Polytechnischen Institut von Pablo Jarillo-Herrero, Massachusetts Institute of Technology Physiker
Pablo Jarillo-Herrero, Associate Professor am Massachusetts Institute of Technology, Physiker für kondensierte Materie, erhielt Preise von der Young Society of Spain Young Investigator Award (2007), der National Science Foundation Award (2008), Alfred Sloan Scholarship (2009), David und Lucy Packard Scholarship (2009), etc.
Nach dem Papier, die Forscher in den überlagerten Schichten aus Graphen Kohlenstoffatomen und erlaubter Muster einen Versatzwinkel von 1,1 °, kann das resultierende Material eine supraleitende Eigenschaften aufweisen. Während noch das System auf 1,7 Grad über dem absoluten Nullpunkt gekühlt werden muss, aber Die Ergebnisse zeigen, dass es so leitfähig sein kann wie bekannte Hochtemperatur-Supraleiter, was Physiker begeistert hat.
Madrid Materials Science Institute Physiker Elena Bascones denken: ‚Wenn diese Entdeckung bestätigt wird, kann es für das Verständnis der HTS sehr wichtig sein.‘ Stanford Physiker und Nobelpreisträger Robert Laughlin sagte: ‚Wir freuen uns auf eine In den nächsten Monaten wird es verrückte experimentelle Aktivitäten geben, um die fehlenden Teile des Blueprints auszufüllen.
Einer der Höhepunkte dieser Studie ist, dass es bedeutet, dass Sie den Mechanismus der unkonventionellen supraleitenden Kupferoxid-supraleitenden Graphen durch eine solche supraleitenden lernen können. Aber das Original Cao Jun in einem Interview mit DT sagte, nicht in naher Zukunft Beabsichtigen, direkt an der Untersuchung von Kupferoxid teilzunehmen.
‚Wie wir alle wissen, hat mich dieser Bereich seit fast 30 Jahren untersucht und weiter, weltweit gibt es eine große Zahl von Laboruntersuchungen von Kupferoxid. Unser Hauptforschungslabor ist eine zweidimensionale Material, Herstellung und Charakterisierung von zweidimensionalem Material Es gibt ziemlich vollständige technische und Erfahrungsaspekte, aber keine Erfahrung in der Erforschung traditioneller Materialien ", sagte Cao gegenüber DT Jun.
Abbildung 丨 die drei verwandten Artikel
Warum ist Graphen?
Im Allgemeinen gibt es ungefähr zwei Arten von Supraleitern: konventionelle Supraleiter, deren Aktivität durch die vorherrschende Theorie der Supraleitung erklärt werden kann, und unkonventionelle Supraleiter, die nicht durch gängige Theorien erklärt werden können.
Laut einer aktuellen Studie des MIT-Teams gehört die Supraleitung von Graphen dazu und ähnelt der anderer unkonventioneller Supraleiter, Kupferoxid-Supraleiter.
Hier müssen wir Kupferoxid-Supraleiter erwähnen, die bei Temperaturen über dem absoluten Nullpunkt bei 133 ° C leitfähig sind. Der zugrundeliegende Mechanismus der Kupferoxid-Supraleiter bleibt ein Rätsel, sagte Laughlin: Die erstaunliche Implikation ist, dass die Supraleitung von Kupferoxiden immer einfach und schwer zu verstehen und korrekt zu berechnen ist.
Unkonventionelle Supraleiter, wie Kupferoxid-Supraleiter, erreichen jedoch höchstwahrscheinlich Supraleitfähigkeit bei Raumtemperatur.Zum heutigen Zeitpunkt wurde die Supraleitfähigkeit bei etwa minus 140 Grad erreicht, aber das System der Kupferoxid-Supraleitung ist sehr kompliziert und die experimentellenBedingungen erfordern dies Es braucht viel Arbeit und Ressourcen, um im nächsten Schritt effektiv forschen zu können.
Abbildung 2. Zwei Schichten von Graphen, die in einem Winkel von 1.1 ° verdrillt sind Das resultierende Material hat supraleitende Eigenschaften.
Zufällig wurde das Phänomen der Graphensupraleitung mit diesem Torsionswinkel zwischen den Stapeln entdeckt, und zumindest die Ergebnisse der aktuellen Messungen scheinen mit dem Phänomen der Kupferoxid-Supraleitung übereinzustimmen. Physiker vermuten, dass Der Mechanismus sollte auch konsistent sein.
Graphen war schon immer ein magisches Material mit den überraschenden Eigenschaften, dass eine Materialschicht, die aus einer einzelnen Schicht von Kohlenstoffatomen in einer hexagonalen Form besteht, stärker ist als Stahl und elektrisch leitfähig ist als Kupfer. Materialien zeigen auch Supraleitung, wenn sie sich berühren, aber dieses Verhalten kann durch konventionelle Supraleitung erklärt werden.
Darüber hinaus ist dieses Material relativ einfache Graphen ist, haben Wissenschaftler untersucht Graphen als relativ gründlich, dass viele der Graphenforschung konzentriert, wie stabile Qualität Graphen in großen Mengen hergestellt werden. Daher ist die Verwendung von Graphen zu studieren unkonventionell Supraleitung Phänomen, kann das Tempo der Wissenschaftler effektiv zu Raumtemperatur supraleitenden beschleunigen.
In diesem Zusammenhang sagte Madrid Institut für Materialwissenschaft Physiker Elena Bascones auf leichter Graphenforschung als die Kupferoxid-Geräte, wie Graphen nützlich sein Supraleitung Internet zu entdecken. Zum Beispiel, um das Kupfer Oxidsupraleitenden zu erkunden die Ursache, müssen Physiker oft Material extreme Magnetfelder sein. ‚anpassen‘ sie unterschiedliche Verhaltensweisen zu erforschen, was bedeutet, dass eine große Anzahl von Experimenten durchgeführt werden, und eine große Menge an Daten, die verarbeitet werden, während Graphen verwendet werden, ist es möglich, Physiker Das gleiche Ergebnis wird durch einfaches Einstellen des elektrischen Feldes erhalten.
Abbildung 丨 Graphen ist ein zweidimensionales zweidimensionales Kohlenstoffmaterial mit atomarer Dicke, wenn zwei Schichten aus Graphen, die in einem bestimmten Winkel geschichtet sind, als supraleitendes Material verwendet werden können
"Supraleitende Magie"
Bei der Durchführung des Experiments untersuchten Cao Yuan und sein Mentor, Pablo Jarillo-Herrero, und sein Team die Supraleitung nicht, sondern untersuchten im Gegenteil, wie der Ablenkwinkel des Graphens die Graphenleistung beeinflussen würde.
In der Theorie können sie nur vermuten, dass ein bestimmter Winkelversatz zwischen zweidimensionalen Materialschichten Elektronen dazu bringen kann, die Materialschicht zu durchqueren und auf unterhaltsame Weise zu interagieren, ohne genau zu wissen, welche Art von Weg.
Das Team von Cao Yuan entdeckte jedoch bald ein unerwartetes Verhalten von zweilagigem Graphen.
Abbildung 丨 Graphen
Erstens zeigen Messungen der elektrischen Leitfähigkeit von Graphen und der Dichte von Teilchen, die Ladungen tragen, an, dass die Struktur ein Mott-Isolator geworden ist - ein Material, das die Eigenschaft hat, alle seine Bestandteile zur elektrischen Leitung zu nutzen, und diese Teilchen Die Interaktion verhindert, dass sie fließen.
Dann verwendeten sie ein kleines elektrisches Feld, um dem System eine kleine Menge zusätzlicher Ladungsträger hinzuzufügen, um sie zu Supraleitern zu machen. "Nachdem sie diese Ergebnisse erhalten hatten, finanzierten sie sofort ihr Team. Cao Yuan's Mentor Jarillo-Herrero sagte:" Wir Die Verwendung verschiedener Geräte, um diese Ergebnisse zu erhalten und die Zusammenarbeit mit Mitarbeitern, um diese zu messen, ist ein sehr selbstbewusster Teil unseres Teams. "
Was ist der supraleitende Effekt von zweilagigem Graphen? Monoschicht-Graphen hat eine lineare energiedispersive Eigenschaft an seinem ladungsneutralen Punkt. Wenn zwei ausgerichtete Graphene gestapelt werden, springt die Bande aufgrund der Zwischenschicht Die Hybridisierung führt zu einer Veränderung der Low-Band-Struktur entsprechend der Stapelordnung (AA- oder AB-Stacking).
Ein neues hexagonales Moiré-Muster, das aus abwechselnden AA- und AB-Stapelregionen besteht, erscheint und wirkt als eine Gittermodulation, wenn es einen zusätzlichen Verdrillungswinkel gibt. Das Supergitterpotential faltet die Bandstruktur zu einem Minituch Der Hybridisierungseffekt zwischen der Mini-Brillouin-Zone MBZ und den benachbarten Dirac-Kegeln in der MBZ wirkt sich ab einer Geschwindigkeit von 106 m / s auf die Fermi-Geschwindigkeit am Ladungsneutralitätspunkt aus Der typische Wert wird reduziert. Unterschiedlicher Drehwinkel bestimmt die unterschiedliche Zellstruktur, dh den Dirac-Effekt zwischen verschiedenen Dirac-Kegeln.
Die speziellen Winkel, in denen die Fermi-Geschwindigkeiten auf Null fallen, dh die "magischen Winkel", wo der erste Winkel etwa 1,1 ° beträgt und in dessen Nähe die Bande nahezu neutral ist, das gesamte Band Die typische Energie der Bandbreite beträgt etwa 5-10 meV.
Experimente haben gezeigt, dass die Abflachung dieser Energiebänder zu einer großen effektiven Masse führt, die wiederum als das Ergebnis einer Coulomb-Energie und quantenkinetischer Energie verstanden werden kann, was zu einem isolierenden Zustand bei halber Füllung führt, und Ein konsistentes Verhalten vergleichbar mit Mott'schen Isolatoren zeigt, je nach Drehwinkel, die gewünschte Dotierungskonzentration, um ein ähnliches Mott-Isolatorverhalten zu erreichen.
Wie oben erwähnt, zeichnen sich unkonventionelle Supraleiter (wie Kupferoxide) durch einen sehr supraleitfähigen Isolationszustand aus: Als die Forscher Phasendiagramme zur Beschreibung der Elektronendichte eines Materials als Funktion der Temperatur aufzeichneten, entdeckten sie dies Ein ähnliches Phasendiagramm ergibt sich für Kupferoxid-Supraleiter, für das, wie Jarillo-Herrero sagte, dies einen weiteren Beweis dafür liefert, dass der supraleitende Mechanismus von zweilagigem Graphen und Kupferoxid der gleiche sein kann.
Graphens Graphen-Elektronenstruktur
Obwohl Graphen im Vergleich zu herkömmlichen Supraleitern gegenwärtig selbst bei sehr niedrigen Temperaturen supraleitend sein kann, erfordert die Supraleitung bei der gleichen Temperatur nur ein Zehntel der Elektronendichte herkömmlicher supraleitender Materialien. Eins.
Außerdem hängt die Realisierung der supraleitenden Eigenschaften der herkömmlichen Supraleitermaterialien von der stabilen Leitung der gepaarten Elektronen ab, und die Menge an Elektronen, die in dem Graphen verfügbar ist, ist klein, wenn die Elektronen in dem Graphen die Elektronen auf irgendeine Weise paaren können die Interaktion sollte viel stärker als herkömmlicher Supraleiter sein.
leitfähige Zweifel
Doch in Bezug auf diese Forschung haben einige Physiker verschiedene Ansichten zum Ausdruck gebracht. Physiker Physik Institut für Höhere Studien der Ecole Industrie- und Chemie Kamran Behnia sagte er, er noch nicht glauben, können sie original Cao exakt angekündigt Mott beobachtet Isolator-Zustand, trotz der Erkenntnisse des Teams haben, dass Graphen gezeigt ein Supraleiter ist, und wird wahrscheinlich ein nicht-konventionellen Supraleitern sein.
Außerdem können Physiker noch nicht mit Sicherheit sagen, dass der supraleitende Mechanismus von Kupferoxid- und Doppelschicht-Graphensupraleitern genau gleich ist, und wenn das abschließende Experiment beweist, dass die Mechanismen der beiden nicht gleich sind, was bedeutet dieses Experiment? Reflektieren?
Bei dieser Frage ist die Antwort auf die ursprüngliche Cao uns: ‚in dem Artikel vergleichen wir die Beziehung zwischen der Rotationsübergangstemperatur des Graphen-Doppelschicht in den supraleitenden Zustand und dem Unterträgerkonzentration, die Dreh gefunden Bilayer Supraleitungs Graphen auch unkonventionelle Paarungsstärke größer als Kupferoxid-Supraleitern und andere schwere Fermionen, näher an der Übergangslinie BEC-BCS (und in den letzten Jahren ein sehr heißen Teil des auf Eisen basierenden supraleitenden ähnlich), so dass selbst wenn der Mechanismus der Supraleitung und Kupfer Es ist auch theoretisch interessant und einzigartig zu untersuchen, warum solch starke supraleitende Paare aufgrund der unterschiedlichen Oxide in scheinbar einfachen Graphensystemen existieren.
Stanford Physiker und Nobelpreisträger Robert Laughlin glaubt, dass ‚alle Verhalten unklar ist, ob Supraleiter in Kupferoxid auftretenden Graphen Supraleiter stattfindet, so dass die neuen Experimente erforderlich, um erhalten jedermanns Genehmigung. Physiker haben seit 30 Jahren in der Dunkelheit wandern, zu versuchen, die Geheimnisse der supraleitenden Kupferoxide zu entsperren, viele von uns glauben, schalten Sie einfach die Lampe. "
(NW, Huang Shan)
Originaltitel: Chinese 21-jährige MIT Wissenschaftlern Ausbrüche von zwei „Nature“ Papier: Raumtemperatur-Supraleitung wird erwartet, einen großen Durchbruch zu erreichen, Graphen zeigen, wo ‚Magie‘