Como todos sabemos, el material conductor general en el proceso se consume una gran cantidad de energía, y el superconductor durante la transmisión casi no hay pérdida de energía, puede llevar más corriente por centímetro cuadrado. Sin embargo, la mayoría de los superconductores sólo a cerca del cero absoluto Trabajando bajo temperatura.
En 1911, el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes descubrió muestras de resistencia al mercurio puro desaparece a bajas temperaturas 4.22-4.27K, a continuación, se encontraron con una serie de otros metales tienen fenómeno similar - un fenómeno conocido como la superconductividad, 1913 , Heike Kammerlingh Onnes ganó el Premio Nobel de Física ese año.
Figura 丨 Heike Kammerlingh Onnes
Sin embargo, los físicos encontraron que un gran número de superconductor elemental y aleación de superconductor temperatura crítica es muy baja superconductor tan baja temperatura medio para conseguir la superconductividad aplicaciones tienen que depender de líquidos criogénicos caros - tales como helio líquido para mantener la temperatura baja el medio ambiente que dio lugar a un fuerte aumento en el costo de las aplicaciones superconductoras, el costo de mantener bajas temperaturas, incluso mucho más que el valor del propio material, incluso existe superconductores de 'alta temperatura' sólo en una relativamente alta temperatura de cero absoluto: .. -140 ℃ a decir, Si podemos alcanzar el material real que es superconductor a temperatura ambiente, para evitar los elevados costes de refrigeración pueden cambiar completamente el estado de la transferencia de energía técnica relacionada, transporte y escáneres médicos.
Han pasado 107 años desde el descubrimiento de la superconductividad por parte de Heike Kammerlingh Onnes. La gente sigue explorando formas de lograr la superconductividad en materiales a baja presión y alta temperatura y aplicarla a la vida. Este objetivo también es la misión más importante de la comunidad de física aplicada. Uno.
Pero este objetivo se acerca cada vez más a nosotros. Tan solo el 5 de marzo, "Nature" publicó dos artículos que cubren importantes estudios del MIT y la Universidad de Harvard: simplemente rotar dos capas de grafeno a un nivel específico " Cuando los ángulos mágicos están superpuestos, pueden conducir electrones con resistencia cero. Este hallazgo probablemente sea un paso muy importante en la búsqueda de superconductores a temperatura ambiente durante décadas.
Además de publicar documentos relacionados, Nature también publicó un artículo comentando sobre este gran avance.
Vale la pena mencionar que el primer autor de ambos documentos son sólo 21 años de edad, ex estudiantes de doctorado del MIT Cao.
Figura Shu Cao original, nacido en 1996, nativo de Chengdu, en 2010 admitido en la Categoría Juvenil USTC, y selecciona 'clase Yanjici excelencia física', 2014 USTC de grado más alto honor - Guo beca es ahora Massachusetts Instituto de Ingeniería eléctrica e informática estudiantes de doctorado, bajo la tutela del físico del MIT Pablo Jarillo-Herrero
Figura Shu Pablo Jarillo-Herrero, profesor asociado del MIT físico de la materia condensada. De premios incluyen el premio de la Real Sociedad Española de Jóvenes Investigadores (2007), el Premio de EE.UU. Fundación Nacional de Ciencias (2008), Alfred Sloan (2009), David y Lucy Packard Fellowship (2009), etc.
Según el documento, los investigadores obtuvieron propiedades superconductoras del material resultante al superponer dos capas de grafeno y cambiar el patrón del átomo de carbono por 1.1 °. Aunque el sistema aún necesitaba enfriarse a 1.7 grados por encima del cero absoluto. Los resultados muestran que puede ser tan conductivo como los superconductores de alta temperatura conocidos, lo que ha excitado a los físicos.
Según Elena Bascones, física del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, "si se confirma este hallazgo, puede ser importante entender HTS", dijo Robert Laughlin, ganador del Premio Nobel de Física de la Universidad de Stanford. En los próximos meses habrá locas actividades experimentales para completar la parte faltante del plan. '
Uno de los aspectos más destacados de este estudio es que significa que se puede aprender el mecanismo de cobre convencional superconductor óxido de grafeno superconductor por ejemplo superconductor. Sin embargo, el original junio Cao en una entrevista con DT dijo, no en un futuro próximo Intenta participar directamente en el estudio del óxido de cobre.
'Como todos sabemos, esta zona ha sido estudiada durante casi 30 años y sigue, en todo el mundo hay un gran número de estudios de laboratorio de óxido de cobre. Nuestro laboratorio de investigación principal es un material de dos dimensiones, la preparación y caracterización de material de dos dimensiones Hay aspectos técnicos y de experiencia bastante completos, pero no hay experiencia en el estudio de materiales tradicionales ", dijo Cao a DT Jun.
Figura 丨 los tres artículos relacionados
¿Por qué es el grafeno?
En términos generales, existen aproximadamente dos tipos de superconductores: los superconductores convencionales, es decir, sus actividades se pueden explicar mediante la teoría convencional de la superconductividad: los superconductores no convencionales, es decir, no pueden explicarse mediante la teoría convencional.
Según un estudio reciente del equipo del MIT, la superconductividad del grafeno pertenece a este último y es similar a la de otros superconductores no convencionales, los superconductores de óxido de cobre.
Aquí tenemos que mencionar los superconductores de óxido de cobre, que son conductores a temperaturas superiores al cero absoluto a 133 grados C. El mecanismo subyacente de los superconductores de óxido de cobre sigue siendo un misterio, dijo Laughlin: La sugerencia sorprendente es que la superconductividad del óxido de cobre siempre ha sido simple, pero es difícil de entender y calcular correctamente.
Sin embargo, este tipo de superconductor no convencional temperatura cuprato superconductor es más probabilidades de lograr la superconductividad, ahora se ha dado cuenta de menos de 140 grados para conseguir la superconductividad, pero el sistema superconductor de óxido de cobre muy complejo, y las condiciones experimentales requieren Gastar una gran cantidad de recursos laborales y materiales, es difícil llevar a cabo un próximo estudio efectivo.
Figura 丨 dos capas de grafeno a un ángulo de rotación de 1.1 °, el material resultante tiene propiedades superconductoras
Coincidentemente, se descubrió la superconductividad del grafeno, que tiene un ángulo de torsión entre las capas, al menos por el momento parece ser consistente con el fenómeno de la superconductividad del óxido de cobre, y los físicos especulan que El mecanismo también debe ser consistente.
El grafeno ha sido un material increíble, tienen propiedades sorprendentes: Este monocapa hexagonal de átomos de carbono que se extienden desde un material similar a una lámina que tiene fuerte que el acero, es mejor que el cobre y otros conductora. Los materiales también muestran superconductividad cuando se tocan, pero este comportamiento se puede explicar por la superconductividad convencional.
Por otra parte, este material es el grafeno grafeno relativamente simple, los científicos han estudiado como un modo relativamente profundo que muchas de las investigaciones grafeno se está centrando en la forma estable la calidad de grafeno producida en grandes cantidades. Por lo tanto, para estudiar el uso de grafeno no convencional Fenómeno superconductor, puede acelerar efectivamente el ritmo de los científicos para lograr superconductores a temperatura ambiente.
En este sentido, Madrid Instituto de Ciencia de los Materiales físico Elena Bascones dijo grafeno investigación sobre más fácilmente que los dispositivos de óxido de cobre, tales grafeno ser útil para explorar la superconductividad internet. Por ejemplo, con el fin de explorar la superconductor de óxido de cobre la causa de la raíz, los físicos a menudo necesitan ser material a campos magnéticos extremas. 'ajustar' a explorar diferentes comportamientos, lo que significa que un gran número de experimentos para llevarse a cabo y una gran cantidad de datos a procesar, mientras se utiliza grafeno, es posible físico El mismo resultado se obtiene simplemente ajustando el campo eléctrico.
Figura 丨 El grafeno es un material de carbono bidimensional en capas de grosor atómico, cuando dos capas de grafeno se acodan en un ángulo específico, se puede usar como material superconductor
'Magia superconductora'
Al realizar el experimento, Cao Yuan y su mentor, Pablo Jarillo-Herrero, y su equipo no exploraron la superconductividad, sino que, al contrario, exploraron cómo el ángulo de deflexión del grafeno afectaría el rendimiento del grafeno.
En teoría, solo pueden adivinar que un desplazamiento angular particular entre las capas de material bidimensionales puede inducir a los electrones a cruzar la capa de material e interactuar de una manera divertida, sin saber exactamente qué tipo de Camino
Sin embargo, el equipo de Cao Yuan pronto descubrió un comportamiento inesperado de grafeno de doble capa.
Figura 丨 grafeno
En primer lugar, las mediciones de la conductividad eléctrica del grafeno y la densidad de las partículas que transportan cargas indican que la estructura se ha convertido en un aislante Mott, un material que tiene la propiedad de utilizar todos sus componentes para la conducción eléctrica, y que las partículas La interacción evitará que fluyan.
Luego, usando un pequeño campo eléctrico, agregaron una pequeña cantidad de cargadores adicionales al sistema para convertirlos en superconductores, e inmediatamente después de obtener los resultados, financiaron a su equipo, dijo Jiao-mentor Jarillo-Herrero, 'Nosotros Usar diferentes dispositivos para obtener estos resultados y medir con colaboradores, este es un punto muy seguro para nuestro equipo.
Entonces, ¿cuál es el efecto superconductor del grafeno de doble capa? El grafeno monocapa tiene una propiedad dispersiva de energía lineal en su punto de carga neutral. Cuando se apilan dos grafenos alineados, la banda se debe a los saltos entre capas La hibridación da como resultado un cambio en la estructura de banda baja de acuerdo con el orden de apilamiento (apilamiento AA o AB).
Aparece un nuevo patrón de moiré hexagonal que consiste en alternar regiones de apilamiento AA y AB y actúa como una modulación de retícula si hay un ángulo de torsión adicional. El potencial de superretícula pliega la estructura de la banda en una mini tela El efecto de hibridación entre la zona MBZ mini Brillouin y los conos Dirac adyacentes en la MBZ tiene un efecto sobre la velocidad de Fermi en el punto neutro de carga a partir de una velocidad de 106 m / s El valor típico se reduce. Un ángulo de torsión diferente determinará la estructura de celda diferente, es decir, determinará el efecto de diraculación entre diferentes conos de Dirac.
Los ángulos especiales en los que las velocidades de Fermi caen a cero, es decir, los "ángulos mágicos", donde el primer ángulo es de aproximadamente 1,1 ° y cerca del cual la banda es casi neutra, toda la banda La energía típica del ancho de banda es de aproximadamente 5-10 meV.
Los experimentos han demostrado que el aplanamiento de estas bandas de energía da como resultado una gran masa efectiva, que a su vez puede entenderse como el resultado de una energía coulomb y energía cinética cuántica, lo que da como resultado un estado aislante a la mitad lleno, y Mostrando un comportamiento consistente similar a los aislantes de Mott, dependiendo del ángulo de giro, la concentración de dopaje deseada para lograr un comportamiento similar del aislador Mott.
Como se mencionó anteriormente, los superconductores no convencionales (como los óxidos de cobre) se caracterizan por la existencia de un estado aislante muy cercano a la superconductividad. Cuando los investigadores trazaron diagramas de fase para describir la densidad electrónica de un material en función de la temperatura, descubrieron que Resultados de diagrama de fase similar con superconductores de óxido de cobre. Para esto, dijo Jarillo-Herrero, esto proporciona más evidencia de que el mecanismo superconductor del doble grafeno y los óxidos de cobre pueden ser los mismos.
Estructura electrónica de grafeno de grafeno
Finalmente, aunque el grafeno puede presentar actualmente superconductividad incluso a temperaturas muy bajas, en comparación con los superconductores convencionales, la superconductividad a la misma temperatura requiere solo una décima parte de la densidad de electrones de los materiales superconductores convencionales. Uno.
Además, los superconductores convencionales lograr la superconductividad material estabilizador depende del par de los electrones conductores, mientras que el número de electrones disponible en pequeña grafeno, en el que si los electrones de tal manera que los electrones pueden ser emparejados, de alguna manera, entonces se indica que las formas La interacción debería ser mucho más fuerte que la de los superconductores convencionales.
Dudas de conductividad
Sin embargo, con respecto a esta investigación, algunos físicos han expresado diferentes puntos de vista. El físico Instituto de física de Estudios Avanzados de la Escuela industrial y química Kamran Behnia dijo que no es todavía creen que pueden exigir Cao original, anunció observó Mott estado aislante, a pesar de las conclusiones del equipo han demostrado que el grafeno es un superconductor, y es probable que sea un superconductores no convencionales.
Por otra parte, los físicos aún no pueden decir con certeza, el mecanismo superconductor de los superconductores de óxido de cobre y grafeno bicapa es exactamente el mismo. Por lo tanto, si los dos últimos mecanismos no demostraron la misma, lo que significa que los estudios de cómo el experimento Reflexionar?
Para esta pregunta, la respuesta a la Cao original de nosotros es: 'en el artículo comparamos la relación entre la temperatura de transición de rotación del grafeno bicapa en el estado superconductor y la concentración sub-portadora, la rotación encontrado grafeno bicapa superconductor incluso la fuerza de emparejamiento poco convencional mayor que los superconductores de óxido de cobre y otros fermiones pesados, más cerca de la línea de transición BEC-BCS (y en los últimos años una parte muy caliente del superconductor a base de hierro similar), por lo que incluso si su mecanismo de la superconductividad y cobre diferentes óxidos, ¿por qué estudiar la existencia de tales una fuerte vinculación superconductor es teóricamente muy interesante y único en un sistema de grafeno tan aparentemente sencilla.
físico de Stanford y premio Nobel Robert Laughlin cree que 'todo comportamiento está claro si se producen en los superconductores de óxido de cobre se produce en el superconductor de grafeno, por lo que los nuevos experimentos necesitaba obtener la aprobación de todos. físicos han estado vagando en la oscuridad durante 30 años, tratando de descubrir los secretos de superconductores de óxidos de cobre, muchos de nosotros creemos, simplemente encender la lámpara. '
(NW, Huang Shan)
Título original: China 21 años de edad, MIT científicos explosiones de dos "natural" de papel: la superconductividad temperatura ambiente se espera lograr un gran avance, el grafeno revela en 'magia'