ในฐานะที่เราทุกคนรู้ว่าวัสดุนำทั่วไปในกระบวนการจะใช้พลังงานมากและตัวนำยิ่งยวดในระหว่างการส่งเกือบจะไม่มีการสูญเสียพลังงานสามารถดำเนินการมากขึ้นในปัจจุบันต่อตารางเซนติเมตร. แต่ตัวนำยิ่งยวดส่วนใหญ่ที่อยู่ใกล้กับศูนย์แน่นอน อุณหภูมิทำงาน
ในปี 1911 นักฟิสิกส์ชาวดัตช์ Heike Onnes Kammerlingh ค้นพบตัวอย่างของความต้านทานสารปรอทบริสุทธิ์หายไปที่อุณหภูมิต่ำ 4.22-4.27K แล้วพวกเขาก็พบว่าจำนวนของโลหะอื่น ๆ ที่มีปรากฏการณ์ที่คล้ายกัน - ปรากฏการณ์ที่เรียกว่ายิ่งยวด 1913 , Heike Onnes Kammerlingh จึงชนะรางวัลโนเบลในปีนั้นในสาขาฟิสิกส์
ภาพ丨 Heike Kammerlingh Onnes
อย่างไรก็ตามนักฟิสิกส์พบว่าจำนวนมากของธาตุและโลหะผสม superconductor ยิ่งยวดอุณหภูมิวิกฤตต่ำมากยิ่งยวดอุณหภูมิต่ำเพื่อให้หมายถึงการที่จะบรรลุ superconductivity การใช้งานจะต้องพึ่งพาของเหลวก๊าซแพง - เช่นฮีเลียมเหลวในการรักษาอุณหภูมิต่ำ สภาพแวดล้อมที่นำไปสู่การเพิ่มมากขึ้นในค่าใช้จ่ายของการใช้งานยิ่งยวด, ค่าใช้จ่ายในการรักษาอุณหภูมิต่ำแม้ไกลเกินกว่ามูลค่าของวัสดุตัวเองแม้ตัวนำยิ่งยวด 'อุณหภูมิสูง' มีอยู่เฉพาะในอุณหภูมิที่ค่อนข้างสูงของสัมบูรณ์: .. -140 ℃ที่จะพูดว่า ถ้าเราสามารถบรรลุวัสดุจริงที่เป็นตัวนำยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้องเพื่อหลีกเลี่ยงค่าใช้จ่ายในการระบายความร้อนที่มีราคาแพงสมบูรณ์สามารถเปลี่ยนสถานะของศิลปะการถ่ายโอนพลังงานที่เกี่ยวข้องกับการขนส่งและสแกนเนอร์การแพทย์
ตอนนี้ที่ผ่านมา 107 ปีนับตั้งแต่ Heike Kammerlingh Onnes ค้นพบการประดิษฐ์ที่เหนือกว่าคนเรายังคงสำรวจและนำไปประยุกต์ใช้กับชีวิตที่ความดันต่ำและอุณหภูมิสูงเป้าหมายที่เป็นภารกิจที่สำคัญที่สุดของโลกทางกายภาพด้วย
แต่เป้าหมายดังกล่าวได้ใกล้ชิดและใกล้ชิดกับเรามากขึ้นและเมื่อวันที่ 5 มีนาคมบทความสองเล่มในวารสาร Nature ได้กล่าวถึงงานวิจัยที่สำคัญของเอ็มไอทีและ Harvard นั่นคือการปั่นสองชั้นของ graphene เป็น " มุมวิเศษ "พวกเขาสามารถทำอิเล็กตรอนที่มีความต้านทานเป็นศูนย์การค้นพบที่น่าจะเป็นขั้นตอนที่สำคัญมากในการค้นหาตัวนำยิ่งยวดอุณหภูมิในห้องพักมานานหลายทศวรรษ
นอกเหนือจากการตีพิมพ์บทความที่เกี่ยวข้องแล้ว Nature ได้เผยแพร่บทความที่แสดงความคิดเห็นเกี่ยวกับการพัฒนาที่สำคัญนี้
เป็นมูลค่าการกล่าวขวัญว่าผู้เขียนเป็นครั้งแรกของเอกสารทั้งสองอายุเพียง 21 ปีอดีตเฉา MIT นักศึกษาปริญญาเอก
รูป Shu เฉาเดิมเกิดขึ้นในปี 1996 ชาวเฉิงตูในปี 2010 เข้ารับการรักษา USTC เยาวชนชั้นและเลือก 'class Yanjici ความเป็นเลิศทางกายภาพ' 2014 USTC เกียรติสูงสุดในระดับปริญญาตรี - ทุนการศึกษา Guo คือตอนนี้ซาชูเซตส์ สถาบันวิศวกรรมไฟฟ้าและวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์นักศึกษาปริญญาเอกภายใต้การปกครองของนักฟิสิกส์ MIT ปาโบล Jarillo-Herrero
รูปที่ปาโบลเอส Jarillo-Herrero เอ็มไอทีศาสตราจารย์ของฟิสิกส์เรื่องย่อ. รางวัล ได้แก่ สเปน Royal Society หนุ่มรางวัลสืบสวน (2007) แห่งชาติสหรัฐรางวัลมูลนิธิวิทยาศาสตร์ (2008), อัลเฟรด สโลนมิตรภาพ (2009), ดาวิดลูซี่ Packard Fellowship (2009) เป็นต้น
นักวิจัยได้ศึกษาสมบัติของสารตัวนำยิ่งยวดของวัสดุที่เกิดขึ้นโดยการซ้อนทับ graphene สองชั้นและเปลี่ยนรูปแบบอะตอมของคาร์บอนโดย 1.1 °แม้ว่าระบบจะยังคงเย็นตัวอยู่ที่ 1.7 องศาเหนือศูนย์สัมบูรณ์ ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่ามันอาจเป็นตัวนำที่อุณหภูมิสูงเป็นที่รู้จักในตัวนำไฟฟ้าซึ่งเป็นนักฟิสิกส์ที่ตื่นเต้นมาก
มาดริดวัสดุศาสตร์สถาบันฟิสิกส์ Elena Bascones คิดว่า 'ถ้าการค้นพบนี้ได้รับการยืนยันมันอาจจะเป็นสิ่งสำคัญมากสำหรับการทำความเข้าใจ HTS'. สแตนฟอฟิสิกส์รางวัลโนเบลและโรเบิร์ตฟลินกล่าวว่า 'เราสามารถมองไปข้างหน้า ในอีกไม่กี่เดือนข้างหน้าจะมีกิจกรรมทดลองที่น่าตื่นเต้นเพื่อเติมเต็มส่วนที่ขาดหายไปของพิมพ์เขียว "
หนึ่งในไฮไลท์ของการศึกษาครั้งนี้ก็คือว่ามันหมายความว่าคุณสามารถเรียนรู้กลไกของการแหกคอกยิ่งยวดออกไซด์ทองแดงยิ่งยวด graphene โดยยิ่งยวดเช่น. แต่เดิมเคาจุนในการสัมภาษณ์กับ DT กล่าวว่าไม่ในอนาคตอันใกล้ ตั้งใจจะเข้าร่วมโดยตรงในการศึกษาของทองแดงออกไซด์
'ในฐานะที่เราทุกคนรู้ว่าพื้นที่นี้ได้รับการศึกษามานานเกือบ 30 ปีและเป็นอย่างต่อเนื่องทั่วโลกมีจำนวนมากจากการศึกษาในห้องปฏิบัติการของออกไซด์ทองแดง. ห้องปฏิบัติการวิจัยหลักของเราเป็นวัสดุสองมิติการเตรียมและศึกษาคุณสมบัติของวัสดุสองมิติ มีเทคโนโลยีที่ดีขึ้นมากและประสบการณ์และไม่ได้ประสบการณ์ในด้านการวิจัยของวัสดุแบบดั้งเดิมเดิมเคาจุนบอก DT
Tumen สามบทความที่เกี่ยวข้อง
ทำไมต้องเป็น graphene?
โดยทั่วไปแล้วมีตัวนำยิ่งยวดสองแบบคือตัวนำยิ่งยวดธรรมดาซึ่งนั่นคือกิจกรรมของพวกเขาสามารถอธิบายได้จากทฤษฎีกระแสหลักของการเป็นตัวนำยิ่งยวดซึ่งเป็นตัวนำหลักที่ไม่เป็นทางการซึ่งนั่นก็ไม่สามารถอธิบายได้ด้วยทฤษฎีกระแสหลัก
จากผลการศึกษาล่าสุดของทีม MIT ความเป็นตัวนำยิ่งยวดของกราไฟท์เป็นของหลังและคล้ายคลึงกับตัวนำยิ่งยวดอื่น ๆ ที่ไม่เป็นทางการและตัวนำยิ่งยวดที่มีออกไซด์ของทองแดงออกไซด์
ที่นี่เราต้องพูดถึงตัวนำยิ่งยวดออกไซด์ของทองแดงด้วยเช่นกันวัสดุทองแดงที่มีความซับซ้อนเช่นนี้สามารถนำกระแสไฟฟ้าได้ที่อุณหภูมิ 133 องศาเซลเซียส แต่กลไกการทำงานของตัวนำยิ่งยวดที่เป็นทองแดงออกไซด์ยังคงเป็นปริศนาลึกลับ Laughlin กล่าวว่า " สิ่งที่น่าแปลกใจก็คือการที่สารตัวนำยิ่งยวดของทองแดงออกไซด์เป็นเรื่องง่าย แต่ก็ยากที่จะเข้าใจและคำนวณได้อย่างถูกต้อง
แต่ประเภทของแหกคอกยิ่งยวดอุณหภูมิ cuprate ยิ่งยวดนี้มีแนวโน้มที่จะประสบความสำเร็จยิ่งยวดมันได้ตระหนักถึงตอนนี้ลบ 140 องศาเพื่อให้บรรลุ superconductivity แต่ออกไซด์ทองแดงระบบยิ่งยวดที่มีความซับซ้อนมากและเงื่อนไขการทดลองต้อง ใช้ทรัพยากรแรงงานและวัสดุเป็นจำนวนมากจึงเป็นเรื่องยากที่จะดำเนินการศึกษาต่อไปได้อย่างมีประสิทธิภาพ
มะเดื่อ Shu graphene ชั้นบิดที่มุม 1.1 องศาวัสดุที่เกิดขึ้นมีคุณสมบัติตัวนำยิ่งยวด
บังเอิญมีมุมบิดของยิ่งยวด graphene ถูกค้นพบว่าในหมู่สแต็คอย่างน้อยสำหรับผลการวัดในขณะนี้มีลักษณะและปรากฏการณ์ออกไซด์ทองแดงตัวนำยิ่งยวดจะเหมือนกัน. ฟิสิกส์ได้สันนิษฐานว่าอยู่เบื้องหลัง กลไกนี้ควรสอดคล้องกัน
แกรฟีนได้รับวัสดุที่น่าตื่นตาตื่นใจที่มีคุณสมบัติที่น่าแปลกใจ: นี่ monolayer หกเหลี่ยมของคาร์บอนอะตอมยื่นออกมาจากวัสดุแผ่นเหมือนมีดีกว่าเหล็กมันจะดีกว่าทองแดงและอื่น ๆ ที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า เมื่อวัสดุสัมผัสยังแสดงยิ่งยวด แต่พฤติกรรมนี้สามารถอธิบายได้ด้วยไฟฟ้ายิ่งยวดธรรมดา
นอกจากนี้สารนี้ graphene ค่อนข้างง่ายนักวิทยาศาสตร์ได้ศึกษากราฟีนเป็นค่อนข้างอย่างละเอียดว่าหลายของการวิจัยกราฟีนจะมุ่งเน้นไปที่วิธีการที่มีความเสถียรที่มีคุณภาพ graphene ผลิตในปริมาณมาก. ดังนั้นเพื่อศึกษาการใช้ graphene แหกคอก ยิ่งยวดนักวิทยาศาสตร์อย่างมีประสิทธิภาพสามารถช่วยเร่งการสำนึกของห้องยิ่งยวดอุณหภูมิ
ในเรื่องนี้มาดริดสถาบันวัสดุศาสตร์ฟิสิกส์ Elena Bascones กล่าวว่างานวิจัยเกี่ยวกับกราฟีนได้ง่ายขึ้นกว่าอุปกรณ์ทองแดงออกไซด์ graphene ดังกล่าวจะเป็นประโยชน์ในการสำรวจอินเทอร์เน็ตยิ่งยวด. ยกตัวอย่างเช่นในการสั่งซื้อเพื่อสำรวจ superconductive ออกไซด์ทองแดง สาเหตุที่นักฟิสิกส์มักจะต้องมีสาระสำคัญต่อสนามแม่เหล็กที่รุนแรง. 'ปรับ' พวกเขาไปสำรวจพฤติกรรมที่แตกต่างกันซึ่งหมายความว่าจำนวนมากของการทดลองที่จะดำเนินการและข้อมูลจำนวนมากที่ต้องดำเนินการในขณะที่กราฟีนจะใช้มันเป็นนักฟิสิกส์ที่เป็นไปได้ เพื่อให้บรรลุผลเดียวกันโดยเพียงแค่การปรับสนามไฟฟ้า
มะเดื่อ Shu แกรฟีนเป็นชั้นสองมิติอะตอมของคาร์บอนวัสดุหนาเมื่อสองชั้นของกราฟีจาก The Layered superposed ที่มุมหนึ่งก็สามารถนำมาใช้เป็นวัสดุตัวนำยิ่งยวด
'วิเศษมหัศจรรย์'
ในการดำเนินการทดสอบ Cao Yuan และที่ปรึกษาของเขา Pablo Jarillo-Herrero และทีมของเขาไม่ได้ศึกษาเกี่ยวกับความเป็นผู้นำ แต่ในทางตรงกันข้ามสำรวจว่ามุมการโก่งของ graphene จะส่งผลต่อประสิทธิภาพการทำงานของ graphene อย่างไร
ในทางทฤษฎีพวกเขาสามารถคาดเดาได้ว่าการชดเชยเชิงมุมเฉพาะระหว่างชั้นวัสดุสองมิติสามารถกระตุ้นอิเล็กตรอนให้ข้ามชั้นวัสดุและโต้ตอบได้อย่างสนุกสนานโดยไม่ต้องรู้ว่าอะไรคืออะไร ทาง
อย่างไรก็ตามทีมของ Cao Yuan ค้นพบพฤติกรรมที่ไม่คาดคิดบางประการของ graphene แบบสองชั้น
ภาพ丨 graphene
ก่อนที่ผลการตรวจวัดค่าการนำความหนาแน่นของ graphene อนุภาคและโครงสร้างค่าใช้จ่ายตามบัญชีภายในซึ่งบ่งชี้ว่าได้กลายเป็น Mott ฉนวนกันความร้อน (Mott ฉนวน) - สารนี้มีคุณสมบัติระหว่างทั้งหมดของส่วนผสมที่จะใช้กระแสไฟฟ้าและอนุภาค การโต้ตอบจะป้องกันไม่ให้พวกเขาไหล
ต่อไปพวกเขาใช้สนามไฟฟ้าขนาดเล็กเพื่อเพิ่มจำนวนเล็กน้อยของผู้ให้บริการค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมเข้าสู่ระบบทำให้ตัวนำยิ่งยวด. หลังจากได้รับผลลัพธ์เหล่านี้ก็มีเงินได้ทันทีเพื่อเป็นเงินทุนในทีมของพวกเขา. เฉาอดีตที่ปรึกษา Jarillo-Herrero กล่าวว่า 'เรา ใช้อุปกรณ์ที่แตกต่างกันเพื่อให้ได้ผลลัพธ์เหล่านี้และวัดร่วมกับพันธมิตรนี้เป็นทีมงานของเรามีความมั่นใจมากว่า.
graphene ของ monolayer มีลักษณะการกระจายตัวของพลังงานเชิงเส้นในจุดที่มีประจุเป็นกลางเมื่อ graphenes เรียงตัวกันอยู่ในแนวเดียวกันวงดนตรีเกิดจากการกระโดดระหว่างชั้น (interlayer jump) การผสมพันธุ์จะนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างแถบพลังงานต่ำตามลำดับซ้อน (AA หรือ AB stacking)
ถ้ามีมุมบิดเพิ่มรูปแบบลายใหม่หกเหลี่ยมประกอบด้วยการสลับ AA และพื้นที่วางซ้อน AB จะปรากฏขึ้นและทำหน้าที่เป็น modulation ตาข่ายศักยภาพ superlattice พับโครงสร้างริบบิ้นเป็นผ้าขนาดเล็ก ในเขตมินิ Brillouin MBZ ผลการไฮบริดระหว่างปิรามิด Dirac ที่อยู่ติดกันใน MBZ มีอิทธิพลต่อความเร็วของ Fermi ที่จุดที่มีประจุไฟฟ้าและความเร็วที่จุดประจุไฟฟ้านี้อยู่ที่ 106 m / s จากค่าปกติจะลดลงมุมบิดแตกต่างกันจะกำหนดโครงสร้างเซลล์หน่วยที่แตกต่างกันซึ่งจะกำหนดรูปกรวย dirac ระหว่างผลไฮบริด
เมื่อความเร็วแฟร์ลดลงถึงจุดที่มุมโดยเฉพาะอย่างยิ่งเป็นศูนย์นั่นคือ 'มุมมายากล (มุมมายากล) ประเด็นมุมแรกจะอยู่ที่ประมาณ 1.1 องศาในบริเวณใกล้เคียงของมุมบิดที่ใกล้กับวงกลางวงทั้งหมด ปริมาณพลังงานโดยทั่วไปในแบนด์วิธอยู่ที่ประมาณ 5-10 meV
ทดลองแสดงให้เห็นว่าผลของวงดนตรีเหล่านี้นำมาแฟบคือมวลที่มีประสิทธิภาพขนาดใหญ่ในขณะที่รัฐฉนวนสามารถเข้าใจได้เป็นผลมาจากการต่อสู้ระหว่างพลังงานประจุไฟฟ้าและพลังงานจลน์ของควอนตัมที่มีผลมาเกี่ยวในรัฐฉนวนที่ครึ่งเต็มไปด้วยและที่ แสดงลักษณะเครื่องแบบคล้ายกับพฤติกรรมของฉนวน Mott. ขึ้นอยู่กับมุมบิดเข้มข้นยาสลบที่ต้องการเพื่อให้บรรลุคล้าย Mott รัฐฉนวนกันความร้อนจะไม่เหมือนกัน
ดังที่ได้กล่าวมาแล้วตัวนำไฟฟ้าที่ไม่เป็นทางการเช่นทองแดงออกไซด์มีลักษณะเป็นตัวฉนวนซึ่งมีความใกล้เคียงกับตัวนำยิ่งยวดมากนักเมื่อนักวิจัยวางแผนแผนภาพเฟสเพื่ออธิบายความหนาแน่นของอิเล็กตรอนของวัสดุกับอุณหภูมิพวกเขาพบว่า ผลของเฟสไดอะแกรมที่คล้ายคลึงกันสำหรับตัวนำยิ่งยวดทองแดงออกไซด์ Jarillo-Herrero กล่าวว่ามีหลักฐานเพิ่มเติมว่ากลไกตัวนำยิ่งยวดของ bilayer graphene กับ copper oxide อาจจะเหมือนกัน
ภาพ丨โครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ graphene
ในที่สุดแม้ว่า graphene สามารถแสดงถึงความเป็นตัวนำยิ่งยวดในอุณหภูมิต่ำมาก แต่ graphene ต้องการเพียงไม่กี่เปอร์เซ็นต์ของความหนาแน่นของอิเล็กตรอนที่มีอยู่ในตัวนำยิ่งยวดธรรมดาเมื่อเปรียบเทียบกับตัวนำยิ่งยวดธรรมดาที่อุณหภูมิเดียวกันสำหรับการนำไฟฟ้ายิ่งยวด
นอกจากนี้สมบัติการเหนี่ยวนำของวัสดุตัวนำยิ่งยวดทั่วไปขึ้นอยู่กับความสามารถในการนำอิเล็กตรอนคู่ ๆ ที่มีอิเล็กตรอนคู่ ๆ เข้ามามีอิเล็กตรอนน้อยมากใน graphene และวิธีที่อิเล็กตรอนสามารถจับคู่อิเล็กตรอนได้ ปฏิสัมพันธ์ควรจะแข็งแกร่งกว่าตัวนำยิ่งยวดธรรมดา
ข้อสงสัยเกี่ยวกับการนำไฟฟ้า
นักฟิสิกส์บางคนได้แสดงความเห็นแตกต่างกันเกี่ยวกับการศึกษาครั้งนี้ Kamran Behnia นักฟิสิกส์สถาบันฟิสิกส์และเคมีขั้นสูงในเขตอุตสาหกรรมแห่งหนึ่งของกรุงปารีสกล่าวว่าปัจจุบันเขายังไม่เชื่อว่า Cao Yuan สามารถสังเกตการณ์ Mote ได้อย่างถูกต้อง สถานะของฉนวนแม้ว่าการค้นพบของทีมได้แสดงให้เห็นว่า graphene เป็นสารตัวนำยิ่งยวดและน่าจะเป็นตัวนำยิ่งยวดที่ไม่เป็นทางการ
นอกจากนี้นักฟิสิกส์ยังไม่สามารถพูดด้วยความมั่นใจกลไกยิ่งยวดของตัวนำทองแดงออกไซด์และ bilayer graphene เป็นเหมือนกับ. ดังนั้นถ้าทั้งสองกลไกที่ผ่านมาพิสูจน์แล้วว่าไม่เหมือนกันที่มีความหมายว่าการศึกษาวิธีการทดลอง รวบรวม?
สำหรับคำถามนี้คำตอบเดิมเฉาเราคือ 'ในบทความเราเปรียบเทียบความสัมพันธ์ระหว่างอุณหภูมิในการหมุนการเปลี่ยนแปลงของ graphene bilayer ในรัฐยิ่งยวดและความเข้มข้นย่อยผู้ให้บริการที่หมุนพบ bilayer ยิ่งยวด graphene แม้ความแรงของการจับคู่ที่ไม่เป็นทางการมากกว่าตัวนำทองแดงออกไซด์และเฟอร์มิออนหนักอื่น ๆ ใกล้ชิดกับการเปลี่ยนแปลงบรรทัด BEC-BCS (และในปีที่ผ่านมาเป็นส่วนหนึ่งที่ร้อนมากของตัวนำยิ่งยวดเหล็กตามที่คล้ายกัน) ดังนั้นแม้ว่ากลไกของการไฟฟ้ายิ่งยวดและทองแดง ออกไซด์ที่แตกต่างกันทำไมจะศึกษาการดำรงอยู่ของดังกล่าวจับคู่ยิ่งยวดที่แข็งแกร่งเป็นทฤษฎีที่น่าสนใจมากและไม่ซ้ำกันในระบบดังกล่าว graphene ดูเหมือนง่าย.
สแตนฟอฟิสิกส์รางวัลโนเบลและโรเบิร์ตฟลินเชื่อว่าพฤติกรรมทั้งหมดก็ไม่มีความชัดเจนว่าจะเกิดขึ้นในทองแดงตัวนำยิ่งยวดออกไซด์เกิดขึ้นใน graphene superconductor ดังนั้นการทดลองใหม่ที่จำเป็นในการ ได้รับความเห็นชอบของทุกคน. ฟิสิกส์ได้รับการหลงในความมืดเป็นเวลา 30 ปีพยายามที่จะปลดล็อกความลับของยิ่งยวดออกไซด์ทองแดงเราหลายคนเชื่อว่าเพียงแค่เปิดหลอดไฟ.
(NW, เขาหวง)
ชื่อเดิม: จีน 21 ปีนักวิทยาศาสตร์ MIT ระเบิดของสอง "ธรรมชาติ" กระดาษ: ยิ่งยวดอุณหภูมิห้องคาดว่าจะบรรลุการพัฒนาที่สำคัญ, กราฟีนเปิดเผยที่ 'วิเศษ'