É bem sabido que a maioria dos materiais consome uma grande quantidade de energia durante o processo de condução, enquanto que o supercondutor não tem quase nenhuma perda de energia durante a transmissão e pode transportar uma corrente maior por centímetro quadrado. No entanto, a maioria dos supercondutores atualmente está operando somente em zero absoluto absoluto Trabalho de temperatura.
Em 1911, o físico holandês Heike Kammerlingh Onnes descobriu que as amostras de mercúrio puro perderam sua resistência em 4,22-4,27 K a baixas temperaturas e, em alguns outros metais, encontraram fenômenos semelhantes - um fenômeno conhecido como supercondutividade. Heike Kammerlingh Onnes ganhou o Prêmio Nobel de Física nesse ano.
Figura 丨 Heike Kammerlingh Onnes
No entanto, os físicos descobriram que as temperaturas críticas supercondutoras para grandes quantidades de substâncias simples e supercondutores de liga são baixas e que essa baixa temperatura supercondutora significa que as aplicações supercondutoras devem contar com líquidos criogênicos dispendiosos, como o hélio líquido para manter baixas temperaturas Ambiente. Isso levou a um aumento acentuado no custo das aplicações supercondutoras, o custo de manter temperaturas baixas, mesmo muito além do valor do material em si. Embora os supercondutores de "alta temperatura" só existam a uma temperatura relativamente absoluta de zero: -140 ° C. Isto é, Ser capaz de alcançar materiais supercondutores a temperatura ambiente verdadeira pode evitar costosos custos de resfriamento e revolucionar o estado da arte na transferência de energia, scanner médico e transporte.
Já são 107 anos desde a descoberta da supercondutividade por Heike Kammerlingh Onnes. As pessoas ainda estão explorando maneiras de alcançar a supercondutividade em materiais sob baixa pressão e alta temperatura e aplicá-la à vida. Esse objetivo também é a missão mais importante da comunidade de física aplicada. Um
Mas este objetivo está cada vez mais próximo de nós. Apenas no dia 5 de março, "Nature" publicou dois artigos sobre estudos importantes do MIT e da Universidade de Harvard: basta rodar duas camadas de grafeno para uma " Quando os ângulos mágicos são superpostos, eles podem conduzir elétrons com zero resistência. Esta descoberta provavelmente será um passo muito importante na busca de supercondutores de temperatura ambiente por décadas.
Além de publicar ensaios relevantes, a Nature publicou um artigo comentando esse grande avanço.
Vale ressaltar que os primeiros autores dos dois trabalhos foram Cao Yuan, um estudante de doutorado de 21 anos no Massachusetts Institute of Technology.
Figura 丨 Cao Yuan, nascido em 1996, nativo de Chengdu, Província de Sichuan, foi admitido na Classe de Juventude da Universidade de China 2010 em 2010 e selecionado como 'Yan Jici Physics Elite Class', é o Prêmio Honorário CASU de 2014 - vencedor da bolsa Guo Moruo. Ph.D. aluno em Engenharia Elétrica e Ciência da Computação, Instituto Politécnico, físico Pablo Jarillo-Herrero, MIT
Pablo Jarillo-Herrero, professor associado do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, físico de matéria condensada, recebeu prêmios do Prêmio Jovem Investigador da Royal Society of Spain (2007), o National Science Foundation Award (2008), Alfred Sloan Scholarship (2009), David e Lucy Packard Scholarship (2009), etc.
De acordo com o documento, os pesquisadores obtiveram propriedades supercondutoras do material resultante superpondo duas camadas de grafeno e mudando o padrão de átomos de carbono em 1.1 °. Embora o sistema ainda precisasse esfriar para 1,7 graus acima do zero absoluto, Os resultados mostram que pode ser tão condutor como os supercondutores de alta temperatura conhecidos, que tem físicos emocionados.
De acordo com Elena Bascones, um físico do Instituto de Ciências dos Materiais de Madrid, "Se este achado for confirmado, pode ser importante entender HTS", disse Robert Laughlin, prêmio Nobel do físico da Universidade de Stanford. "Nós podemos esperar Nos próximos meses, haverá atividades experimentais loucas para preencher a parte faltando do plano. '
Um dos destaques deste estudo é que isso significa que a supercondutividade de grafeno pode ser usada para aprender sobre o mecanismo da supercondutividade não convencional, como a supercondutividade de óxido de cobre. No entanto, quando Cao Yuan foi entrevistado pela DT Jun, ele disse que não era no futuro próximo. Destinado a participar diretamente no estudo de óxidos de cobre.
"Como todos sabemos, este campo tem sido estudado por quase 30 anos e ainda continua. Há um grande número de laboratórios em todo o mundo que estão estudando óxidos de cobre. Nosso laboratório estuda principalmente materiais bidimensionais e a preparação e caracterização de materiais bidimensionais. Há muita tecnologia e experiência no campo, e não há experiência no estudo de materiais tradicionais ", disse Cao Yuan à DT.
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Por que o grafeno?
Em geral, existem aproximadamente dois tipos de supercondutores: supercondutores convencionais cuja atividade pode ser explicada pela teoria predominante da supercondutividade e superconductores não convencionais, que não podem ser explicados pelas teorias convencionais.
De acordo com um estudo recente da equipe do MIT, a supercondutividade do grafeno pertence ao último e é semelhante à de outros supercondutores não convencionais, supercondutores de óxido de cobre.
Aqui temos que mencionar os supercondutores de óxido de cobre, que são condutores a temperaturas acima do zero absoluto a 133 graus C. O mecanismo subjacente de supercondutores de óxido de cobre continua sendo um mistério, Laughlin disse: A incrível implicação é que a supercondutividade dos óxidos de cobre sempre foi simples e difícil de entender e calcular corretamente.
No entanto, a supercondutividade não convencional, como a supercondutividade de óxido de cobre, é a mais provável de alcançar a supercondutividade à temperatura ambiente, conseguiu cerca de menos 140 graus para alcançar a supercondutividade, mas o sistema supercondutor de óxido de cobre é muito complexo e as condições experimentais exigem Gaste muito trabalho e recursos materiais, é difícil realizar um próximo estudo efetivo.
Figura 丨 duas camadas de grafeno para ângulo de rotação de 1,1 °, o material resultante possui propriedades supercondutoras
Coincidencialmente, a supercondutividade de grafeno, que tem um ângulo de torção entre as camadas, foi descoberta, pelo menos para o momento em que parece ser consistente com o fenômeno da supercondutividade de óxido de cobre, e os físicos especulam que O mecanismo também deve ser consistente.
O grafeno sempre foi um material mágico com propriedades surpreendentes: este material semelhante a uma folha consistindo em uma única camada de átomos de carbono que se estende em forma hexagonal é mais forte do que o aço e é mais condutor que o cobre. É em comparação com outros materiais. A supercondutividade também foi demonstrada quando os materiais são contatados, mas esse comportamento pode ser explicado pela supercondutividade convencional.
Além disso, o grafeno é um material relativamente simples. Os cientistas já estudaram bastante o grafeno. Muitas pesquisas sobre grafeno estão atualmente focadas em como preparar grafeno estável e de alta qualidade. Portanto, o grafeno é usado para estudar irregularidades. O fenômeno da supercondutividade pode efetivamente acelerar os cientistas para alcançar a supercondutividade da temperatura ambiente.
A este respeito, Elena Bascones, física do Instituto de Ciências dos Materiais do Madri, disse que os dispositivos à base de grafeno são mais fáceis de estudar do que os óxidos de cobre e fazem do grafeno uma plataforma útil para explorar a supercondutividade. Por exemplo, para explorar a supercondutividade do óxido de cobre , Os físicos muitas vezes precisam colocar o material em um campo magnético extremo. "Ajustá-los para explorar diferentes comportamentos significa que muita experimentação será feita com grandes quantidades de dados, e com grafeno, os físicos podem O mesmo resultado é obtido simplesmente ajustando o campo elétrico.
Figura 丨 O grafeno é um material de carbono bidimensional em camadas de espessura atômica, quando duas camadas de grafeno em camadas em um ângulo específico podem ser usadas como material supercondutor
'Magia supercondutora'
Ao realizar o experimento, Cao Yuan e seu mentor, Pablo Jarillo-Herrero e sua equipe, não estavam tentando explorar a supercondutividade. Em vez disso, eles deveriam explorar como o ângulo de deflexão do grafeno bicamada afeta a performance do grafeno.
Teoricamente, eles só podem adivinhar que uma certa mudança angular entre camadas de material bidimensional pode induzir os elétrons a passar pela camada de material e interagem de forma interessante, mas não sabe exatamente qual o tipo de Caminho.
No entanto, o time de Cao Yuan logo descobriu algum comportamento inesperado do grafeno de camada dupla.
Graphene Graphene
Primeiro, a medição da condutividade do grafeno e a densidade das partículas que carregam a carga dentro dele mostram que a estrutura tornou-se um isolador Mott (Mott Insulator) - este material tem a propriedade de usar todos os seus componentes para conduzir eletricidade e entre partículas A interação os impedirá de fluir.
Em seguida, eles usaram um pequeno campo elétrico para adicionar uma pequena quantidade de transportadores de carga extra ao sistema para torná-los supercondutores. Depois de obter esses resultados, eles imediatamente financiaram sua equipe. O mentor de Cao Yuan, Jarillo-Herrero, disse: "Nós Usando equipamentos diferentes para obter esses resultados e medição com colaboradores, este é um ponto muito confiante para nossa equipe.
Então, como o efeito supercondutor do grafeno bicamada pode ser alcançado? O grafeno de camada única possui uma característica linear de dispersão de energia no seu ponto neutro de carga. Quando dois grafenos alinhados são empilhados, a banda é causada pelo salto entre as camadas. A hibridação leva a mudanças na estrutura da banda de baixa energia de acordo com a seqüência de empilhamento (AA ou empilhamento AB).
Um novo padrão de moiré hexagonal consistindo em regiões de empilhamento AA e AB alternadas aparece e atua como uma modulação de rede se houver um ângulo de torção adicional. O potencial de superlattice dobra a estrutura da banda em um mini pano O efeito de hibridação entre a mini zona de Brillouin MBZ e os cones de Dirac adjacentes no MBZ tem efeito sobre a velocidade de Fermi no ponto neutro de carga a partir de uma velocidade de 106 m / s O valor típico é reduzido. Diferentes ângulos de torção determinarão as diferentes estruturas celulares, ou seja, determinarão o efeito de hibridação entre diferentes cones Dirac.
Os ângulos especiais em que as velocidades de Fermi caem para zero, ou seja, os "ângulos mágicos", onde o primeiro ângulo é de cerca de 1,1 ° e perto do qual a banda é quase neutra, toda a banda A energia típica da largura de banda é de cerca de 5-10 meV.
As experiências demonstraram que o achatamento dessas bandas de energia resulta em uma grande massa efetiva, que pode, por sua vez, ser entendida como resultado de uma energia cinética de energia e energia quântica, resultando em um estado isolante a meio cheio e Mostrando um comportamento consistente semelhante aos isoladores de Mott, dependendo do ângulo de torção, a concentração de dopagem desejada para alcançar o comportamento similar do isolador de Mott.
Conforme mencionado acima, os supercondutores não convencionais (como os óxidos de cobre) são caracterizados pela existência de um estado isolante que é muito próximo da supercondutividade. Quando os pesquisadores traçaram diagramas de fases para descrever a densidade eletrônica de um material em função da temperatura, descobriram que Resultados similares do diagrama de fase com supercondutores de óxido de cobre. Para isso, disse Jarillo-Herrero, isso fornece evidências adicionais de que o mecanismo supercondutor do grafeno de duas camadas com óxido de cobre pode ser o mesmo.
Estrutura eletrônica de grafeno do grafeno
Finalmente, embora o grafeno possa exibir supercondutividade mesmo em temperaturas muito baixas, em comparação com supercondutores convencionais, a supercondutividade à mesma temperatura requer apenas um milésimo de densidade eletrônica de um material supercondutor convencional. Um.
Além disso, a realização das propriedades supercondutoras dos materiais supercondutores convencionais depende da condução estável dos elétrons emparelhados e a quantidade de elétrons disponíveis no grafeno é pequena, se os elétrons no grafeno podem emparelhar os elétrons de alguma forma, isso mostra que A interação deve ser muito mais forte do que a dos supercondutores convencionais.
Dúvidas de condutividade
No entanto, neste estudo, alguns físicos também expressaram opiniões diferentes. Kamran Behnia, físico do Instituto de Física Avançada e Química do Instituto Superior de Tecnologia de Paris, Paris, disse que ainda não acredita que Cao Yuan possa anunciar com precisão a observação de Mott. O estado do isolador, embora as descobertas da equipe tenham mostrado que o grafeno é um supercondutor e é provável que seja um supercondutor não convencional.
Além disso, os físicos ainda não podem dizer com certeza que o mecanismo supercondutor de óxido de cobre e supercondutores de grafeno de bicapa é exatamente o mesmo. Então, se o experimento final prova que os mecanismos dos dois não são os mesmos, qual o significado desse experimento? Refletido?
Para esta pergunta, a resposta de Cao Yuan para nós é: "No papel, comparamos a temperatura de transição e a concentração do transportador no estado supercondutor de um grafeno de bicamada rotativo, e descobrimos que o supercondutor em um grafeno rotativo de bicapa A intensidade de emparelhamento é ainda maior do que os supercondutores não convencionais, como óxidos de cobre, fermiões pesados, etc., e está mais próximo da linha de transição BEC-BCS (semelhante a uma porção muito ardente de supercondutores baseados em ferro nos últimos anos). Portanto, mesmo seu mecanismo supercondutor e cobre Ao contrário dos óxidos, é teoricamente muito interessante estudar por que esses pares supercondutores existem em sistemas de grafeno aparentemente simples.
Robert Laughlin, físico de Stanford e prêmio Nobel, acredita que "ainda não está claro se todo o comportamento que ocorre nos supercondutores de óxido de cobre ocorre em supercondutores de grafeno, então novas experiências relevantes precisam ser desenvolvidas Obtendo aprovação de todos, os físicos vagaram pelo escuro por 30 anos tentando desbloquear os segredos da supercondutividade de óxido de cobre, e muitos de nós pensamos que a luz está prestes a abrir.
(NW, Huang Shan)
Título original: cientistas chineses MIT de 21 anos com dois papéis "Nature": a expectativa de que a supercondução da temperatura ambiente alcance um grande avanço, o grafeno abriu um dos "magos"