Хорошо известно, что большинство материалов потребляют большое количество энергии во время процесса проводимости, в то время как сверхпроводник почти не имеет потерь энергии во время передачи и может нести более высокий ток на квадратный сантиметр. Однако большинство сверхпроводников в настоящее время работают только при почти абсолютном нуле Работа при температуре.
В 1911 году голландский физик Хайке Каммерлингх Оннес обнаружил, что образцы чистой ртути потеряли сопротивление при низких температурах 4,22-4,27 К, а затем обнаружили сходные явления в некоторых других металлах - явление, известное как сверхпроводимость. , Heike Kammerlingh Onnes выиграл Нобелевскую премию по физике в этом году.
Рисунок 丨 Хайке Каммерлинг-Оннес
Однако физики обнаружили, что сверхпроводящие критические температуры большого количества элементарных и легированных сверхпроводников очень низки. Такие низкие температуры сверхпроводников означают, что сверхпроводящие приложения должны опираться на дорогостоящие криогенные жидкости, такие как жидкий гелий, для поддержания криогенных температур. Окружающая среда, что приводит к резкому увеличению стоимости сверхпроводящих приложений. Стоимость поддержания низких температур намного превышает стоимость самого материала. Даже «высокотемпературные» сверхпроводники существуют только в относительных абсолютных нулевых температурах: -140 ° C. То есть, Если сверхпроводящий материал может быть реализован при реальной комнатной температуре, он сможет избежать дорогостоящих расходов на охлаждение и полностью изменить текущее состояние передачи энергии, медицинских сканеров и транспорта.
Теперь, когда прошло 107 лет с тех пор, как Хайке Каммерлингх Оннес обнаружил сверхпроводимость, люди все еще изучают и применяют его к жизни при низком давлении и высоких температурах, цель, которая также является самой важной миссией физического мира а.
Но эта цель все ближе и ближе к нам, и 5 марта две статьи в журнале Nature рассказали о важных исследованиях Массачусетского технологического института и Гарварда: просто откручивание двух слоев графена в конкретные " Волшебный угол ", они могут проводить электроны с нулевым сопротивлением, что может оказаться очень важным шагом в поиске комнатных температурных сверхпроводников на протяжении десятилетий.
Помимо публикации соответствующих эссе, Nature опубликовала статью, в которой комментируется этот крупный прорыв.
Стоит отметить, что первый автор обеих работ только 21 лет Cao бывший MIT докторанты.
Рисунок Шу Као оригинал, родившийся в 1996 году, уроженец Чэнду, в 2010 году поступил в Молодежном класс УНЦА и выбрал «класс Yanjici физическое совершенство», 2014 USTC магистрант высокой чести - Го Стипендии теперь Массачусетс институт электротехники и компьютерных наук докторантов под руководством MIT физик Пабло Jarillo-Герреро
Фигурки Шу Пабло Jarillo-Герреро, MIT доцент конденсированного физика. Награды включают испанский Royal Society Young Investigator Award (2007), Национальная премия США научного фонда (2008), Альфред Sloan Fellowship (2009), Дэвид и Люси Packard Fellowship (2009) и т.д.
Согласно этой статье, исследователи получили сверхпроводящие свойства полученного материала, наложив два слоя графена и сдвинув диаграмму атомов углерода на 1,1 °. Хотя системе все еще необходимо охлаждать до 1,7 градуса выше абсолютного нуля Результаты показывают, что он может быть проводящим, как известные высокотемпературные сверхпроводники, возбуждающие физиков.
По словам Елены Басконс, физика в Мадридском институте материаловедения, «если это открытие подтвердится, может быть важно понять HTS», - сказал Роберт Лафлин, лауреат Нобелевской премии по физике Стэнфордского университета. «Мы с нетерпением ждем В ближайшие месяцы будут сумасшедшие экспериментальные мероприятия, чтобы заполнить недостающую часть плана ».
Одним из основных моментов этого исследования является то, что это означает, что вы можете изучить механизм нетрадиционной сверхпроводимости, такой как сверхпроводящий оксид меди через графеновый сверхпроводник. Однако, когда Цао дал интервью DT Jun, он сказал, что в ближайшем будущем, Предназначены для непосредственного участия в исследовании оксида меди.
«Хорошо известно, что эта область изучена почти 30 лет и продолжается с большим количеством лабораторий по всему миру, изучающих оксид меди. Наша лаборатория в основном изучает двумерные материалы, в подготовке и характеристике двумерных материалов Есть довольно полные технические и практические аспекты, но нет опыта в изучении традиционных материалов, - сказал Цао Дэн Юн.
Рисунок 丨 три связанные статьи
Почему графен?
Вообще говоря, существуют примерно два типа сверхпроводников: обычные сверхпроводники, т. Е. Их деятельность может быть объяснена основной теорией сверхпроводимости, нетрадиционные сверхпроводники, т. Е. Не могут быть объяснены основной теорией.
Согласно недавнему исследованию команды Массачусетского технологического института, сверхпроводимость графена относится к последнему и аналогична сверхпроводимости сверхпроводников, оксидных сверхпроводников.
Здесь мы должны упомянуть оксидные сверхпроводники меди, которые являются проводящими при температурах выше абсолютного нуля при 133 градусах C. Основополагающий механизм оксидных сверхпроводников меди остается загадкой, Лафлин сказал: Удивительный намек заключается в том, что сверхпроводимость оксида меди всегда была простой, но ее трудно правильно понять и рассчитать.
Однако нетрадиционные сверхпроводники, такие как сверхпроводники из оксида меди, скорее всего, достигнут сверхпроводимости при комнатной температуре. В настоящее время сверхпроводимость достигнута примерно на минус 140 градусов, но система сверхпроводимости оксида меди очень сложна, и условия эксперимента требуют На следующем этапе требуется много труда и ресурсов для проведения эффективных исследований.
Рисунок 2. Два слоя графена, скрученные под углом 1,1 °. Полученный материал обладает сверхпроводящими свойствами.
Кстати, феномен сверхпроводимости графена с этим углом кручения между стеками был обнаружен, и по крайней мере результаты измерений тока, по-видимому, согласуются с явлением сверхпроводимости оксида меди. Физики предполагают, что Механизм также должен быть последовательным.
Графен всегда был волшебным материалом с удивительными свойствами: этот листовой материал, состоящий из одного слоя атомов углерода, простирающегося в гексагональной форме, сильнее, чем сталь, и более проводящий, чем медь, по сравнению с другими материалами. Материалы также показывают сверхпроводимость, когда они касаются, но это поведение можно объяснить обычной сверхпроводимостью.
Ученые уже довольно хорошо изучили графен. Многие исследования графена в настоящее время сосредоточены на том, как подготовить стабильный и высококачественный графен, поэтому графен используется для изучения неровностей. Сверхпроводящий феномен, может эффективно ускорить темпы ученых для достижения сверхпроводящей температуры в помещении.
В ответ Елена Баскон, физик из Мадридского института материаловедения, сказала, что устройства на основе графена легче изучать, чем оксиды меди, что делает графен полезной платформой для исследования сверхпроводимости. Например, для изучения сверхпроводимости оксида меди Физики часто должны помещать материал в экстремальное магнитное поле. «Тонкая настройка» их для изучения различных поведений означает, что много экспериментов будет сделано с большим количеством данных, а с графеном физики могут Тот же результат получается путем простой регулировки электрического поля.
Рисунок 丨 Графен представляет собой слоистый двумерный углеродный материал с атомной толщиной, когда два слоя графена, слоистые под определенным углом, могут быть использованы в качестве сверхпроводящего материала
«Сверхпроводящая магия»
Проводя эксперимент, Цао Юань и его наставник Пабло Джарилло-Эрреро и его команда не изучали сверхпроводимость, но, наоборот, исследовали, как угол отклонения графена повлияет на работу графена.
Теоретически они могут только догадываться, что определенное угловое смещение между двумерными слоями материала может побуждать электроны пересекать материальный слой и взаимодействовать забавным способом, но не знает точно, какие путь.
Тем не менее, команда Цао Юань вскоре обнаружила неожиданное поведение двухслойного графена.
Рисунок 丨 графен
Во-первых, измерения электропроводности графена и плотности частиц, несущих в себе заряды, указывают на то, что структура стала изолятором Мотта - материалом, который имеет свойство использовать все его составляющие для электрической проводимости и что частицы Взаимодействие не позволит им течь.
Затем, используя небольшое электрическое поле, они добавили небольшое количество дополнительных носителей заряда в систему, чтобы сделать их сверхпроводниками, и сразу же после того, как они получили результаты, они профинансировали свою команду, сказал Цзяо-наставник Джарильо-Эрреро, «Мы Использование разных устройств для получения этих результатов и работы с сотрудниками для их измерения - очень уверенная часть нашей команды ».
Итак, что такое сверхпроводящий эффект двухслойного графена? Однослойный графен имеет линейную энергию-диспергирующее свойство в нейтральной по заряду точке. Когда два выровненных графена уложены в стопку, полоса из-за межслойных скачков Гибридизация приводит к изменениям структуры низкоэнергетических зон в соответствии с последовательностью укладки (укладка AA или AB).
Если имеются дополнительные углы поворота, появляется новая диаграмма муарообразного шаблона, состоящая из чередующихся областей укладки AA и AB и действует как модуляция решетки. Потенциал сверхрешетки складывает ленточную структуру в мини-ткань В зоне мини-Бриллюэна MBZ эффект гибридизации между соседними пирамидами Дирака в MBZ влияет на скорость Ферми в нейтральной точке заряда, а скорость в этой нейтральной точке заряда составляет от 106 м / с. Типичное значение уменьшается. Различные углы поворота определяют различные структуры клеток, т. Е. Определяют эффект гибридизации между различными конусами Дирака.
Специальные углы, при которых скорости Ферми падают до нуля, т. Е. «Магические углы», где первый угол составляет около 1,1 ° и вблизи которого около нейтральной, вся полоса Типичное количество энергии в полосе пропускания составляет около 5-10 мэВ.
Эксперименты показали, что сглаживание этих энергетических полос приводит к большой эффективной массе, которая, в свою очередь, может быть понята как результат кулоновской энергии и квантовой кинетической энергии, что приводит к изолированному состоянию при половинном заполнении и Показав последовательное поведение, аналогичное изоляторам Мотта, в зависимости от угла поворота, желаемую концентрацию легирования для достижения аналогичного поведения изолятора Мотта.
Как упоминалось выше, нетрадиционные сверхпроводники (такие как оксиды меди) характеризуются наличием изолирующего состояния, которое очень близко к сверхпроводимости. Когда исследователи построили диаграммы состояния для описания электронной плотности материала как функции температуры, они обнаружили, что Аналогичные результаты фазовой диаграммы с оксидными сверхпроводниками меди. В этой связи Ярильо-Эрреро сказал, что это дает дополнительные доказательства того, что сверхпроводящий механизм двухслойного графена с оксидами меди может быть одним и тем же.
Графеновая электронная структура графена
Наконец, хотя графен в настоящее время может проявлять сверхпроводимость даже при очень низких температурах, по сравнению с обычными сверхпроводниками, когда сверхпроводимость достигается при той же температуре, графен требует только одной тысячной электронной плотности обычного сверхпроводящего материала. а.
Кроме того, реализация сверхпроводящих свойств обычных материалов сверхпроводника зависит от стабильной проводимости парных электронов, а количество электронов, доступных в графене, невелико, если электроны в графене могут каким-то образом соединить электроны, это показывает, что Взаимодействие должно быть намного сильнее, чем обычные сверхпроводники.
Сопротивление электропроводности
Однако в этом исследовании некоторые физики также высказали разные мнения. Камран Бехния, физик из Института передовой промышленной физики и химии Высшего технологического института в Париже, Париж, сказал, что он до сих пор не доверяет Цао Юань, что они могут точно объявить о наблюдении Мотта. Состояние изолятора, хотя результаты команды показали, что графен является сверхпроводником и, вероятно, является нетрадиционным сверхпроводником.
Более того, физики не могут с уверенностью сказать, что сверхпроводящий механизм оксидов меди и двухслойных графеновых сверхпроводников точно такой же. Тогда, если последний эксперимент докажет, что механизмы двух не совпадают, каково значение этого эксперимента? воплощают?
Для этого вопроса, ответ на нас оригинальный Цао: «В статье мы сравним отношения между вращательной температурой перехода биграфены в сверхпроводящем состоянии и концентрацией поднесущей, вращательная нашли двухслойную сверхпроводящий графена даже нетрадиционным прочность спаривания больше оксида меди сверхпроводников и других тяжелых фермионов, ближе к линии перехода БЭК-BCS (и в последние годы очень горячая часть сверхпроводящего на основе железа подобного), так что даже если его механизм сверхпроводимости и меди различные оксиды, почему бы изучить существование такого сильного сверхпроводящее спаривание теоретически очень интересен и уникален в такой, казалось бы, простой системы графена.
Стэнфордский физик, лауреат Нобелевской премии Роберт Лафлин считает, что «все поведение остается неясным, происходит ли происходит в сверхпроводниках оксида меди в графене сверхпроводника, так что новые эксперименты, необходимые для получить одобрение каждого. физики блуждали в темноте в течение 30 лет, пытаются раскрыть секреты сверхпроводящих оксидов меди, многие из нас полагают, просто включите лампу.
(СЗ, Хуан Шань)
Оригинальное название: китайские 21-летний MIT ученых очереди два «Природа» бумага: комнатная температура сверхпроводимости, как ожидается, для достижения большого прорыва, графно показывает, где «волшебный»