高溫超導——為什么是石墨烯

1911年,荷蘭物理學家Heike Kamerlingh Onnes 驚訝地發現,當汞被冷卻至接近絕對零度(零下273.15攝氏度)時,電子可以通行無“阻”。他將這個“零電阻狀態”稱為“超導電性”。
從那之后,物理學家就不斷地想要找到高溫超導材料,以應用在日常生活之中。然而,大多數材料只有在接近絕對零度時,才會轉變為超導體。即使是所謂的“高溫”超導體也只是在相對意義上的:目前零電阻導電的最高溫度約為-140ºC。如果有哪種材料能夠在室溫下表現出超導電性,就可以為能量傳輸、醫用掃描儀和交通領域帶來革命性的改變。
3月5日,物理學家在兩篇發表在《自然》期刊的論文中指出,當兩層石墨烯以一個“魔角”扭曲在一起時,就能在零電阻下導電。更確切地說,物理學家將兩層只有原子厚的石墨烯以特別的角度堆疊在一起,當碳原子間的排列呈1.1度(這個角度就是所謂的“魔角”)的角度偏移時,就會使材料變為超導體。盡管該系統仍然需要被冷卻至絕對零度以上1.7度,但結果表明了它或許可以像已知的高溫超導體那樣導電。一旦該結果被確認,此次的發現對于理解高溫超導電性至關重要。
超導體大致可分為兩種類型:可被主流超導理論解釋的常規超導體,以及無法用主流理論解釋的非常規超導體。最新的研究結果顯示了石墨烯的超導行為是非常規的,并且表現出一些與另一種被稱為銅氧化物的非常規超導體相似的屬性。這種復雜的氧化銅可以在絕對零度的133度之上導電。三十年來,盡管在尋找室溫超導體的路上,銅氧化物一直是物理學家所關注的焦點,但其背后的機制依舊使他們困惑。與銅氧化物相比,堆疊的石墨烯系統相對簡單,并且物理學家對它有著更好的理解。
魔術
石墨烯是一種以碳原子組成的六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜,是一種厚度只有一個碳原子大的二維材料。自石墨烯被發現以來,其諸多優異屬性一直令人印象深刻:它比鐵還要堅固,比銅的導電性還要好等等。之前,科學家就發現了石墨烯的超導電性,但那只發生在它與其它材料接觸時,并且其超導行為可以用常規的超導電性解釋。
麻省理工的物理學家Pablo Jarillo-Herrero和他的團隊在實驗進行之初并不是為了研究超導電性。他們想要探索的是被稱為魔角的方向性會如何影響石墨烯。根據理論家的預測,若二維材料不同層間的原子以特定的角度偏移,可能會誘發電子在薄片中通過,并以有趣的方式作用——然而他們并不知道究竟會是什么方式。
在雙層薄片的實驗設置中,他們立即就看見了意想不到的行為。首先,對石墨烯的導電性和其帶電粒子密度的測量中發現,這種構造已成為一種莫特絕緣體(Mott insulator),這是一種擁有所有導電發生所必需成分的材料,但其粒子間的相互作用卻會阻止電子的自由移動使得這一切無法發生。接下來,只需對其稍微施以微弱的電場,以在系統中增加一點額外的電荷載子,它就會成為超導體。
絕緣態的存在與超導電性如此接近是非常規超導體的標志。當研究人員繪制相圖(縱軸為材料的電子密度,橫軸為溫度)時,他們看到了與銅氧化物非常相似的圖案。這進一步證明了該材料或許擁有超導電性機制。
最后,盡管石墨烯要在超低溫下才會表現出超導電性, 但它僅需電子密度是常規超導體的萬分之一,就能在相同溫度下獲得超導能力。在常規的超導體中,這個現象只在當振動允許電子形成一對一對時才出現,成對的電子會穩定它們的行進路徑,使它們能在零電阻的情況下流動。但由于石墨烯中可用的電子是如此之少,因此它們可以成對的事實表明系統中的相互作用要比在常規超導體中發生的強的多。
黑暗中尋找光明
關于在非常規超導體中電子會如何相互作用,物理學家各持己見。Robinson說:“高溫超導體的其中一個瓶頸是,到現在為止,我們都不知道究竟是什么將電子粘合成對的。”
Bascones表示,基于石墨烯系統要比銅氧化物更容易研究,因此它們將更有益于超導電性的探索。舉個例子,為了探索銅氧化物中超導電性的根源,物理學家通常需要將材料暴露在極強的磁場中。為了探索銅氧化物的不同行為,而對它們施以的”調節”,意味著不同樣本的研究量的不斷加大;而對于石墨烯而言,物理學家只需要簡單的調整電場就能達到同樣地效果。
物理學家 Kamran Behnia 就表示,雖然他承認麻省理工團隊的發現表明了石墨烯是超導體,并且很可能是不尋常的超導體,但他并不認為他們可以篤定地宣稱自己看到了莫特絕緣態。
物理學家現在還無法肯定的說——這兩種材料中的超導機制是一樣的。諾獎得主 Robert Laughlin 表示,現在還尚不清楚在銅氧化物中所看到的所有行為是否都可以發生在石墨烯中。但我們卻有理由在這些新的實驗所呈現出的足夠多的超導行為中找到慶祝的理由。
為了更好地理解銅氧化物,物理學家已經在黑暗之中已摸索了30年。而最新的發現,或許剛剛為物理學家點亮了一束光。
 
 
 
編譯:魔理郎
參考來源:
[1] Cao, Y. et al. Nature //dx.doi.org/10.1038/nature26160 (2018).
[2] Cao, Y. et al. Nature //dx.doi.org/10.1038/nature26154 (2018).
[3] https://www.nature.com/articles/d41586-018-02660-4
[4] https://www.nature.com/articles/d41586-018-02773-w
來源:原理
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