眾所周知, 一般材料在導電過程中會消耗大量能量, 而超導體在傳輸過程中則幾乎沒有能量耗損, 還能在每平方厘米上承載更強的電流. 然而, 目前大多數超導體僅在接近絕對零度的溫度下工作.
1911年, 荷蘭物理學家 Heike Kammerlingh Onnes 發現純的水銀樣品在低溫4.22-4.27K時電阻消失, 接著又發現其他的一些金屬也有類似的現象——這種現象被稱為超導現象. 1913 年, Heike Kammerlingh Onnes 因此獲得了當年的諾貝爾物理學獎.
圖丨Heike Kammerlingh Onnes
然而, 物理學家發現, 大量單質和合金超導體的超導臨界溫度都很低. 如此低的超導溫度意味著, 實現超導應用必須依賴於昂貴的低溫液體——如液氦等來維持低溫環境. 這導致超導應用的成本急劇增加, 維持低溫的成本甚至遠遠超過了材料本身的價值. 即使是 '高溫' 超導體也只存在於相對絕對零度的高溫: -140℃. 也就是說, 如果能在真正室溫下實現超導的材料, 就能避開昂貴的冷卻費, 徹底改變能量傳輸, 醫療掃描器和運輸等相關領域的現狀.
如今距離 Heike Kammerlingh Onnes 發現超導現象已經過去了 107 年, 人們仍在探索低壓, 高溫下實現材料超導性的方法並將其用於生活中, 這個目標也是應用物理界的最重大的使命之一.
但這個目標正在離我們越來越近. 就在 3月5日, 《Nature》連刊兩文報道了來自麻省理工學院和哈佛大學的重要研究: 只要將兩層石墨烯旋轉到特定的 '魔法角度' 疊加時, 它們就可以在零阻力的情況下傳導電子. 該發現很可能是數十年來尋找室溫超導體十分重要的一步.
除了刊發相關的論文以外, 《Nature》還發表了一篇評論此次重大突破的文章.
值得一提的是, 兩篇論文的第一作者均為年僅 21 歲的麻省理工學院博士生曹原.
圖丨曹原, 1996年出生, 籍貫四川成都, 2010年考入中科大少年班, 併入選 '嚴濟慈物理英才班' , 是2014年中科大本科生最高榮譽獎——郭沫若獎學金獲得者. 現為麻省理工學院電氣工程與計算機科學系博士生, 師從麻省理工學院物理學家Pablo Jarillo-Herrero
圖丨Pablo Jarillo-Herrero, 麻省理工學院副教授, 凝聚態物理學家. 所獲的獎項包括西班牙皇家學會青年研究者獎(2007), 美國國家科學基金會獎(2008), 艾爾弗雷德斯隆獎學金(2009), 戴維和露西帕卡德獎學金(2009)等
根據論文, 研究人員將兩層石墨烯在疊加並使其碳原子圖案偏移 1.1°的角度, 最後得到的材料就能具有超導特性. 儘管該系統仍需要冷卻到絕對零度以上1.7度, 但結果表明, 它可能像已知的高溫超導體一樣導電, 這已讓物理學家興奮不已.
馬德裡材料科學研究所物理學家 Elena Bascones 認為, '如果這一發現得到證實, 可能對理解高溫超導十分重要' . 斯坦福大學的物理學家, 諾貝爾獎獲得者 Robert Laughlin 說, '我們可以期待在接下來的幾個月裡, 會有瘋狂的實驗活動來填補藍圖中缺失的部分' .
此次研究的一大亮點在於, 它意味著可以通過石墨烯超導來學習銅氧化物超導這類非常規超導的機理. 不過, 曹原在接受 DT 君專訪時稱, 近期內並不打算直接參与銅氧化物的研究.
'眾所周知, 這個領域已經被研究了近 30 年並且仍在繼續, 世界範圍內有大量的實驗室在研究銅氧化物. 我們實驗室主要研究的是二維材料, 在二維材料的製備和表徵方面有相當完備的技術和經驗, 而在研究傳統材料方面還沒什麼經驗' , 曹原對 DT 君表示.
圖丨此次的三篇相關文章
為什麼是石墨烯?
通常而言, 超導體大致有兩種類型的: 常規的超導體, 即其活動可以用超導的主流理論來解釋;非常規的超導體, 即不能用主流理論解釋的.
而根據 MIT 團隊的最新研究, 石墨烯的超導行為屬於後者, 並且與其他的非常規超導體——銅氧化物超導體的活動類似.
在這裡, 我們不得不提一下銅氧化物超導體. 這類複雜的氧化銅材料在絕對零度以上133度時能夠導電, 但銅氧化物超導體其潛在的機制仍然是個謎. Laughlin說: '這其中令人驚歎的暗示便是, 銅氧化物的超導性一直都很簡單, 卻很難被正確地理解和計算. '
可是, 銅氧化物超導這類非常規超導是最有可能實現室溫超導的, 目前已經實現零下140度左右實現超導, 但銅氧化物超導的系統又很複雜, 且實驗條件需要花費大量的勞力物力, 所以很難進行有效的下一步研究.
圖丨兩層石墨烯以1.1°的角度扭轉, 得到的材料具有超導特性
巧的是, 此次這種層疊間有扭轉角度的石墨烯超導現象被發現了, 至少目前測量的結果看起來和銅氧化物超導的現象是一致的. 物理學家們推測, 其背後的機理應該也是一致的.
石墨烯一直是一種神奇的材料, 具有令人驚訝的特性: 這種由單層碳原子以六邊形延伸構成的片狀材料比鋼還強, 比銅導電性還好. 它在與其他材料接觸時, 也曾表現出超導性, 但這種行為可以用常規超導性來解釋.
而且, 石墨烯這種材料比較簡單, 科學家已經對石墨烯研究得算比較透徹, 目前石墨烯的不少相關研究正在聚焦如何大量製備穩定的優質的石墨烯. 所以, 利用石墨烯來研究非常規超導現象, 可以有效加快科學家實現室溫超導的步伐.
對此, 馬德裡材料科學研究所物理學家 Elena Bascones 表示, 基於石墨烯的器件比銅氧化物更容易研究, 使得石墨烯成為探索超導電性的有用平台. 例如, 為了探索銅氧化物超導性的根源, 物理學家經常需要將材料置於極端磁場中. '調整' 它們來探索不同的行為, 這意味著大量實驗要進行和大量數據要處理. 而使用石墨烯的話, 物理學家則可以通過簡單地調整電場來獲得相同的結果.
圖丨石墨烯是原子厚度的層狀二維碳材料, 當兩層石墨烯以特定角度分層疊加時, 可用作超導材料
'超導魔法'
在開展實驗時, 曹原和他的導師 Pablo Jarillo-Herrero及其團隊並不是為了探究超導. 相反, 他們是為了探究雙層石墨烯的偏轉角度會如何影響石墨烯的性能.
從理論上來講, 他們只能猜測二維材料層之間的特定角度偏移可能會誘發電子穿過材料層, 並以一種有趣的方式進行交互, 但不知道究竟是以一種什麼樣的方式.
然而, 曹原所在團隊很快就發現了雙層石墨烯一些意想不到的行為.
圖丨石墨烯
首先, 石墨烯的導電率和其內攜帶電荷的顆粒密度的測量結果表明該結構已成為莫特絕緣體(Mott Insulator)——這種材料具有利用其所有成分來導電的特性, 且顆粒之間的相互作用會阻止它們流動.
接下來, 他們利用一個小電場向系統中添加少量額外的電荷載體, 使之成為超導體. 在得到以上這些結果後, 馬上就有資金資助他們團隊了. 曹原的導師 Jarillo-Herrero 表示, '我們使用不同的設備都得到這些結果, 並與合作者一起進行測量, 這是我們團隊十分有自信的一點. '
那麼, 雙層石墨烯的超導效果是如何實現的呢?單層石墨烯在其電荷中性點處具有線性能量分散特性. 當兩個對齊的石墨烯層疊時, 由於層間跳躍引起的帶的雜化導致根據堆疊順序(AA或AB堆疊)對低能帶結構進行改變.
如果存在額外的扭轉角, 則由交替的 AA 和 AB 堆疊區域組成的新六邊形圖案摩爾紋(moiré pattern)出現且起到晶格調製的作用. 超晶格電勢將帶結構摺疊成迷你布裡淵區(mini Brillouin zone MBZ), MBZ 中相鄰狄拉克錐體之間的雜化效果對電荷中性點處的費米速度有影響, 該電荷中性點處的速度從106 m/s的典型值降低. 不同扭轉角會決定不同的晶胞結構, 即決定不同的狄拉克錐體之間的雜化效果.
當費米速度下降到零的點所在的特殊角度, 即 '魔法角度' (magic angles), 其中第一個角度約為1.1°, 在這個扭轉角附近, 能帶接近電中性, 整個能帶頻寬的典型能量大小約為5-10 meV.
實驗證明, 這些能帶的平坦化帶來的結果是大的有效質量. 而絕緣態又能理解為庫倫能量與量子動能之間較量的結果, 帶來在半填充處產生絕緣狀態的效果, 並且展示出與莫特類似的絕緣體行為一致的特性. 根據不同的扭轉角度, 所需的摻雜濃度來達到莫特類似的絕緣體狀態也不一樣.
如上文提到的, 非常規超導體(如銅氧化物)的特徵是存在與超導性非常接近的絕緣狀態. 當研究人員繪製了相圖來描述材料的電子密度與溫度的關係時, 他們發現了與銅氧化物超導體相似的相圖結果. 對此, Jarillo-Herrero 表示, 這提供了進一步的證據, 證明雙層石墨烯與銅氧化物的超導機制可能是一樣的.
圖丨此次的石墨烯電子結構
最後, 儘管石墨烯目前也能在非常低的溫度下表現出超導性, 但對比常規超導體而言, 在相同溫度下實現超導時, 石墨烯只需傳統超導材料電子密度的萬分之一.
此外, 常規超導體材料的超導特性的實現依賴於成對電子的穩定導電, 而石墨烯中可用的電子數量很少, 若其中的電子能夠以某種方式使得電子配對的話, 這說明該種方式的相互作用應該比常規超導體的要強得多.
導電性疑惑
然而, 關於此次研究, 一些物理學家也表達了不同的看法. 巴黎高等工業物理和化學高級研究所的物理學家 Kamran Behnia 表示, 他目前還不相信曹原他們可以確切宣布觀測到莫特絕緣體的狀態, 儘管該團隊的發現已經表明石墨烯是一種超導體, 並且很可能是個非常規超導體.
而且, 物理學家還不能確定地說, 銅氧化物和雙層石墨烯超導體的超導機制是完全相同的. 那麼, 如果最後實驗證明二者的機制不一樣, 那此次實驗的研究意義如何體現?
對於這個問題, 曹原對我們的回答是: '在文章中我們比較了旋轉雙層石墨烯的超導態中的轉變溫度和載流子濃度的關係, 發現旋轉雙層石墨烯中的超導配對強度甚至比銅氧化物, 重費密子等非常規超導體更大, 更接近於BEC-BCS轉變線(和近年非常火熱的部分鐵基超導相近). 所以即使它的超導機理和銅氧化物不同, 研究為什麼在看似如此簡單的石墨烯系統中會存在這樣強的超導配對也是在理論上非常有意思, 獨特的. '
斯坦福大學的物理學家, 諾貝爾獎獲得者 Robert Laughlin 則認為, '目前還不清楚是否在銅氧化物超導體中出現的所有行為都會發生在石墨烯超導體中, 所以新的相關實驗需要開展, 才能獲得大家的認可. 物理學家們已經在黑暗中徘徊了30年, 試圖解開銅氧化物超導的秘密, 我們許多人認為, 燈才剛剛開啟. '
(NW, 黃珊)
原標題: 21歲MIT中國科學家連發兩篇《Nature》論文: 室溫超導有望實現重大突破, 石墨烯揭開其中 '魔法'