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[产业气象站]漫谈神奇石墨烯的绝缘超导与抗磁性( 二 )


1987年 ， 物理学家吴茂昆和朱经武在钇钡铜氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上 ， 液氮的“温度壁垒”（77K）也被突破了 。
这是史上第一次超越液态氮沸点“温度壁垒”而将超导温度从30K提升到90K（摄氏零下183度）以上 ， 突破自1911年后七十多年的物理学研究瓶颈 ， 为临界温度高于77K的材料称为高温超导体下了定义 ， 此后 ， 很多科学家开始尝试打破麦克米兰极限 ， 努力寻求“高温超导体” 。
另外这项实验采用较为廉价的液氮将极大地降低超导的应用成本 ， 使得超导大规模应用和深入科学研究成为可能 。
[产业气象站]漫谈神奇石墨烯的绝缘超导与抗磁性
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目前 ， 材料达到超导状态的最高温度约为133K ， 而这种材料就是铜氧化物 ， 于20世纪80年代被发现 。 但是 ， 对于氧化物类的高温超导体 ， 由于微观结构非常复杂 ， 结构往往难以调整 ， 很难进行微观尺度的研究 ， 所以难以发现其超导机制；而超高压类的超导体 ， 研究起来更难 ， 也无法实现实际应用 。
如果有哪种材料能够在室温下表现出超导电性 ， 就可以为能量传输、医用扫描仪和交通领域带来革命性的改变 。
但是科学院一直没有取得突破 ， 人员在2016年得到了一个使他们兴奋的出人意料之外的结果 。 他们用两片石墨烯构建了一个类似夹心饼干似的结构 ， 在石墨烯片中插入了一些钙原子之后惊奇地发现 ， 这个结构实现了超导性！也就是说 ， 如此构建的材料可以实现电阻为零 。
为什么超导发生在1.1°这个神奇的角度？基于能带结构的紧束缚计算方法 ， 这个神奇的“魔法角”可以根据双层石墨烯能带图相对于角度之变化而计算出来 。 当石墨烯的层与层之间扭转一个角度时 ， 其中的电子轨道将重新杂化而改变杂化能量 。 杂化能与电子动能互相抗衡和竞争的结果 ， 造就了这个角度的“魔法”现象 。 也就是说 ， 扭转角θ逐渐增加 ， 杂化能也增加 ， 当费米速度从单层石墨烯中的费米速度0=106m/s降到=0时 ， 所对应的那个扭转角θ0 ， 被称为“魔法角” 。 这时候正好对应杂化能与电子动能相等 ， 即2=?0θ0 ， 进一步求得魔角θ0=√3?0=1.08° ， 大约是1.1° 。 在这样的情况下 ， 相应的能带图变成几乎平坦的绝缘体能带图 ， 即产生类似莫特绝缘体的现象 ， 绝缘和超导可互相转换 ， 仅一步之遥 。
尽管该系统仍然需要被冷却至1.7K ， 但由于石墨烯结构简单 ， 制作的器件比铜氧化物更适合研究 ， 如果能在石墨烯这样结构简单的材料中实现高温超导 ， 其应用价值和研究价值都非同一般 ， 而且科学家们认为 ， 与铜氧化物相比 ， 石墨烯更有可能实现常温超导 。
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为了更好地理解铜氧化物 ， 物理学家已经在黑暗之中已摸索了30年 。 而最新的发现 ， 或许刚刚为物理学家点亮了一束光 。
石墨烯是绝缘体或超导体 ， 那么它的超导属性在未来有哪些应用？
[产业气象站]漫谈神奇石墨烯的绝缘超导与抗磁性
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当以“神奇的角度”旋转时 ， 石墨烯薄片可以形成绝缘体或超导体 。
自2004年发现以来,科学家们发现,花边,蜂窝样表的单层碳原子——石墨烯 ， 不仅仅是世界上已知最薄的材料,,比钢强数百倍,比铜导电性能更好 。
当以神奇的角度旋转时 ， 两片石墨烯呈现出非导电行为 ， 类似于一种被称为Mott绝缘体的奇特材料 。
施加电压 ， 在石墨烯超晶格中添加少量电子时 ， 发现在一定程度上 ， 电子突破了最初的绝缘状态 ， 并无阻力地流动 ， 就像通过超导体一样 。 对一个石墨烯晶格相对于另一个石墨烯晶格以“魔法角度”轻微旋转时形成的云纹图案的大规模解释 。


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