石墨烯惊现双重身份,身兼绝缘体与超导体
神奇材料石墨烯又带来奇迹特性!当科学家将两层石墨烯片相叠并旋转 1.1 度时,意外发现石墨烯成为绝缘体,但当科学家额外添加电子之后,石墨烯又摇身一变成零电阻超导体,双重身份转换好不自在!
自从 2004 年英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,成功实验从石墨中分离出石墨烯后,石墨烯就开始不断刷新各项极限值,比如它是目前世上最薄却最坚硬的纳米材料(比钢还要强几百倍),也是目前世上电阻率最小的材料(约 10~6Ω·cm,导电性比铜更强)。
而现在,由麻省理工学院、哈佛大学与日本国家物质材料研究机构(National Institute for Materials Science)专家组成的团队,将两层石墨烯片以 1.1 度的“魔角”(magic angle)堆叠,使蜂巢般的原子网格稍微交错,接着添加电子,意外发现这种材料竟带来“奇迹”特性:通电前是绝缘体(电荷不能通过材料),通电后是科学家梦想中零电阻的超导体(电子可以在没有电阻的情况下穿过材料)。
研究人员尝试过旋转各种角度,但只有以 1.1 度旋转相叠的石墨烯片其六边形蜂巢晶格形成精确摩尔结构(moiré configuration),就像莫特绝缘体(Mott insulator)一样,石墨烯片间的电子出现强烈静电相互作用,相互排斥而无法流动;而当研究人员添加额外电子与原本敌不动我不动的电子结合后,电子竟突破初始绝缘状态并零电阻流动,就像超导体一样。
▲ 研究人员调整石墨烯片相叠角度,并找到 1.1 度“魔角”。
虽然去年科学家也能借由掺杂其他材料来合成石墨烯超导体(在两层石墨烯片中间插入钙原子),但这一次,新团队找到的是完全不依赖其他材料、又能身兼绝缘体的“纯石墨烯超导体”。
团队在《自然》期刊连发两篇论文,这次研究还有另一个原因令人如此兴奋,是因为它可能是开发能于室温下工作的超导体关键。大多数超导体只能在接近绝对零度的温度发挥零电阻特性,科学家一直致力于寻求提高超导材料的临界温度,目前高温超导体的最高温度纪录是马克普朗克研究所的 203K(-70°C)。
如果超导体能在室温发挥功力,将大幅减少冷却成本,医疗技术、电网、消费性电子产品等变得更高效,潜力相当无比。