明星材料石墨烯成“過氣網(wǎng)紅”?看它如何扭出“魔角”推開奇異物理世界大門
自2010年獲得諾貝爾物理學(xué)獎以來,石墨烯近年來成為二維材料的“流量明星”。今年前三個月,國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然》《科學(xué)》雜志已發(fā)表三篇關(guān)于石墨烯的報道。這些研究或為設(shè)計石墨烯基超導(dǎo)體奠定基礎(chǔ),或為探索石墨烯系統(tǒng)中的流體動力學(xué)開辟新路。
一直以來,石墨烯以應(yīng)用前景廣泛的電子特性而聞名。隨著研究的不斷深入,它的更多神奇性能有待人們?nèi)グl(fā)現(xiàn)和探索。
▲研究顯示石墨烯片具有六邊形分子和能量。
五年前,在美國洛杉磯會議中心舉行的美國物理學(xué)會年會上,美國麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家巴勃羅·賈里略·赫雷羅發(fā)布了一項重大成果。
此前,赫雷羅和他的同事一直在進(jìn)行石墨烯的實驗研究,石墨烯是從石墨(鉛筆芯的主要成分)上剝離下來只有單個原子厚度的碳薄片材料。然而,當(dāng)赫雷羅將兩個石墨烯薄片堆疊在一起,以一薄片相對于另一薄片旋轉(zhuǎn),形成某個神奇“魔角”時,一種神奇的效應(yīng)產(chǎn)生了。
就是這個在石墨烯錯位層中的意外發(fā)現(xiàn),為科學(xué)家研究二維材料奇異物理學(xué)開辟了一個新的領(lǐng)域。
“扭一扭”創(chuàng)造神奇材料特性
在那次美國物理學(xué)會年會上,赫雷羅展示了石墨烯的一種神奇新特性。他們將兩層石墨烯堆以某個角度差異疊在一起,并通過門電壓調(diào)控載流子濃度,成功實現(xiàn)了能帶半滿填充狀態(tài)下的絕緣體,繼而實現(xiàn)1.7K(開爾文)溫度下的超導(dǎo)電性。
神奇“魔角”或讓石墨烯成為電流幾乎不流動的絕緣體,或成為超導(dǎo)體。這是一個具有重要意義的驚人發(fā)現(xiàn),因為從量子計算到核聚變等多個前沿技術(shù)領(lǐng)域中,超導(dǎo)體都有廣泛的應(yīng)用前景。
在這次年會之后,研究人員通過石墨烯疊層扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生“魔角”效應(yīng)實驗,發(fā)現(xiàn)了許多奇異的量子效應(yīng),例如顯示磁渦旋特性的“準(zhǔn)粒子”。美國哈佛大學(xué)的阿米爾·亞科比認(rèn)為,這些奇異特性令人興奮,蘊含著巨大的應(yīng)用潛力。
更令人振奮的是,石墨烯的神奇才剛剛嶄露頭角。新的研究發(fā)現(xiàn),通過增加石墨烯薄片的層數(shù),或以其他材料互換,也會產(chǎn)生類似效應(yīng)。在探索石墨烯神奇特性的發(fā)現(xiàn)之旅中,科學(xué)家將深入研究隱藏在二維材料中不可思議的全新物理學(xué)。
石墨烯薄片疊層扭轉(zhuǎn)后表現(xiàn)的種種神奇特性,為研究材料的基本特性,尤其是探索不同原子排列方式對材料特性所產(chǎn)生的作用,開辟了新的途徑。
材料是否導(dǎo)電,取決于原子中的電子在原子核周圍的排列模式。大致原理為,相鄰原子的電子向外移動,形成一個互相重疊的“電子帶”。在導(dǎo)電材料中,高能電子“電子帶”擁有更多可容納其他電子的空間,其本身也有更多可移動空間,一旦施加電壓,就可形成電流在電極之間流動。而在絕緣體材料中,高能電子帶和低能電子帶一樣,都擠滿了電子,在這樣的材料中,電子就像擠在擁擠房間里的人群一樣,幾乎沒有自由移動的余地。
石墨烯中的碳原子由蜂巢狀六邊形晶格互相連接,所以這種材料中的電子可以在晶格帶中自由穿梭,這正是高速運行電子器件所需要的優(yōu)良特性。
事實上,如果是蜂巢晶格結(jié)構(gòu)沒有任何瑕疵的天然石墨烯,從理論上來說,其電子可以光速移動,就像根本沒有任何質(zhì)量一樣。但如果兩層石墨烯薄片相疊,其中一層相對于另一層以某種角度扭曲,就可以改變電子的移動方向。電子在兩個六邊形晶格中來回穿梭,形成“超晶格”,產(chǎn)生神奇的“莫爾效應(yīng)”。
在石墨烯中,電子行為不光受碳原子晶格的影響,莫爾超晶格同時也會對電子在兩層石墨烯之間的自由移動度產(chǎn)生影響。因此通過改變兩層石墨烯薄片相疊的角度,可以大幅降低雙層石墨烯薄片之間傳導(dǎo)電子的速度,從而改變電子行為。
“如果擁有大量動能,如果電子移動速度極快,它們幾乎沒有時間產(chǎn)生相互作用。”赫雷羅說。但是,如果扭曲相疊的兩層石墨烯薄片中的電子移動速度放緩,情況就不一樣了。雙層石墨烯薄片電子之間強(qiáng)大的相互作用意味著電子的相互運動變得更敏感,更加相互依賴。用技術(shù)術(shù)語來講,它們之間的關(guān)系變得“高度相關(guān)”。而這也正是事情變得非常有趣的地方:電子活動方式的這種相關(guān)性的提高,可以產(chǎn)生原來根本不可能出現(xiàn)的奇跡。
以超導(dǎo)體為例,傳統(tǒng)超導(dǎo)體中的電子互動導(dǎo)致它們組合成“庫珀對”。量子力學(xué)定律限制了擁有相同屬性(能量、位置等)電子的數(shù)量,但這并不適用于這種特殊的庫珀對,它們可以聚集一起,在沒有阻力的情況下,不受晶格原子的阻礙而四處移動。事實上,庫珀對是高能準(zhǔn)粒子的一個范例:許多電子呈聚集態(tài)四處移動,其表現(xiàn)像是一種新型粒子。
所以,如果想要尋找奇特的電子特性,讓電子相關(guān),二維材料是最好的選擇。在三維空間里,電子通常有許多方式彼此遠(yuǎn)離,避免接觸,但在二維空間里,特別是在石墨烯這樣的薄層導(dǎo)體材料中,電子活動更趨向于聚合,從而顯示出不同尋常的神奇特性。
存在于二維空間的“調(diào)諧按鈕”
美國新澤西州羅格斯大學(xué)的伊娃·安德烈伊和她的同事發(fā)現(xiàn),當(dāng)一層石墨烯薄片疊在另一石墨烯薄片上時,樣本中的電子能量水平會出現(xiàn)一種被稱為“魔角效應(yīng)”的奇特變化,特別是當(dāng)一層相對于另一層旋轉(zhuǎn)約1°時,這種效應(yīng)尤為明顯。
其他一些研究團(tuán)隊也報告稱發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象,理論物理學(xué)家對此很感興趣,他們想知道,為什么會這樣,究竟發(fā)生了什么。
美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的艾倫·麥克唐納和同事對雙層石墨烯的電子屬性研究后發(fā)現(xiàn),當(dāng)兩層薄片處于某個旋轉(zhuǎn)角度時,電子的移動速度降為零。“電子活動完全停止了?!丙溈颂萍{說,“這對我們來說是個完全意想不到的驚喜?!?/p>
最大“神奇扭角”約為1.16°,但要深入研究石墨烯的種種神奇,這仍然太小,需要對旋轉(zhuǎn)角度的方向進(jìn)行極其精細(xì)的控制。赫雷羅認(rèn)為,這種神奇扭轉(zhuǎn)角具有極大潛力,有可能成為電子屬性中前所未有的新“調(diào)諧旋鈕”,所以他決定試一下。
一開始,他的團(tuán)隊在扭曲雙層石墨烯中發(fā)現(xiàn),電子帶的動能很小,正如麥克唐納等人對電子低速移動的預(yù)測一樣。于是,研究人員開始尋找一種被稱為莫特絕緣體的非導(dǎo)電態(tài),他們認(rèn)為這種狀態(tài)可能存在于強(qiáng)相關(guān)電子中。后來,赫雷羅團(tuán)隊對這種電子行為進(jìn)行觀察后,發(fā)現(xiàn)了更有趣的現(xiàn)象。他們發(fā)現(xiàn),對石墨烯施加電壓進(jìn)行微調(diào),改變攜帶電流的電子數(shù)量,就可以產(chǎn)生超導(dǎo)體。與所有的超導(dǎo)體材料一樣,這種情況只在低于1.7K的極低溫度下才會出現(xiàn)。
“魔角”石墨烯的這種奇特電子效應(yīng)引起了許多研究人員的興趣,紛紛加入這一研究領(lǐng)域。激發(fā)他們興趣的,不僅僅是發(fā)現(xiàn)新的基礎(chǔ)物理學(xué)的前景,還因為超導(dǎo)體材料的廣泛需求。比如,用于量子計算機(jī)中的量子比特,可通過量子物理學(xué)一些特殊定理加速某些特定運算。在一些需要用到強(qiáng)磁場的應(yīng)用技術(shù)中,如核磁共振成像和核聚變反應(yīng)堆等,也是超導(dǎo)體大顯身手的領(lǐng)域。
產(chǎn)生磁場的方法之一是讓電流繞線圈流動。對超導(dǎo)線圈加大電流強(qiáng)度可產(chǎn)生更強(qiáng)大的磁場。但是超導(dǎo)導(dǎo)線需要保持極低溫度,處理難度很大。
這就解釋了為何研究人員對“魔角”石墨烯的超導(dǎo)性能如此感興趣,它可能為人們最終理解某些奇特超導(dǎo)現(xiàn)象提供新的途徑。例如,某些被稱為“層狀銅氧化物”的銅基化合物可在相對較高(135k,相當(dāng)于-138℃)的溫度條件下產(chǎn)生超導(dǎo)性。40年前,這類超導(dǎo)體首次被報道后,其奇特的超導(dǎo)行為一直困擾著研究人員。
▲95后中國學(xué)者曹原在“魔角”石墨烯領(lǐng)域不斷獲得原創(chuàng)性突破,被譽為“石墨烯駕馭者”。 圖/nature.com
“對‘魔角’石墨烯的理解是否能幫助我們理解層狀銅氧化物超導(dǎo)特性產(chǎn)生的原因,我們至今還不甚清楚?!焙绽琢_說。他指出,層狀銅氧化物和“魔角”石墨烯的相同之處是,它們都是疊層材料,且擁有一些相同的屬性,但它們也有很多不同。赫雷羅直覺認(rèn)為,這一研究對我們會有所幫助,但現(xiàn)在就下結(jié)論還為時過早。
摩爾效應(yīng)與哈伯德模型
“魔角”石墨烯是如何產(chǎn)生的?通常,赫雷羅的研究小組先取來一個六方氮化硼(hBN)薄片。之所以用它,是因為它具有與石墨烯相同的蜂窩結(jié)構(gòu),厚度為1000萬分之一到3000萬分之一毫米。研究人員以其用作膠帶,從石墨中剝離一層石墨烯,然后再剝離第二層,手動調(diào)整hBN薄片的方向,相對于第一層略微旋轉(zhuǎn),最后再將測量導(dǎo)電率所需的各種組件組裝上去。然而,創(chuàng)建這樣的結(jié)構(gòu)難度非常大。
“摩爾系統(tǒng)的物理性質(zhì)會隨著扭角角度的微小變化而變化?!焙绽琢_說,這些系統(tǒng)可能并不穩(wěn)定,“有很多張力和扭曲,原子會四處移動,爭相占據(jù)最合適的位置。”
不過也許有替代辦法,可以不依賴“魔角”來解決這些問題。研究人員發(fā)現(xiàn),利用原子間隙略有不同的兩種不同材質(zhì)薄片,也可以產(chǎn)生某種摩爾超晶格。
過渡金屬二鹵族化物(TMDs),如二硫化鎢和二硒化鎢,也能形成六邊形鍵合層。由不同材料制成的兩層或更多層鍵合層,可產(chǎn)生多種不同的原子排列模式。例如,利用二硫化鎢和二硒化鎢原子間距4%的不匹配,可產(chǎn)生摩爾效應(yīng)圖案,圖案以每8納米的間隔重復(fù)出現(xiàn)。
TMD雙層材料不依賴于“魔角”,對扭轉(zhuǎn)角度的微小變化不敏感,實驗的可重復(fù)性要高得多。美國康奈爾大學(xué)的研究人員與麥克唐納等人合作,證明了一個由二硫化鎢和二硒化鎢構(gòu)成的摩爾系統(tǒng),用來探索各種相關(guān)電子行為,可作為最流行的“哈伯德模型”的物理模擬。
哈伯德模型于1963年由物理學(xué)家約翰·哈伯德提出,并以他的名字命名。哈伯德模型將電子能量分為兩種:動能和相互作用產(chǎn)生的能量。哈伯德模型是研究莫特絕緣體、超導(dǎo)體(特別是銅氧化物)和有序磁性的常用模型。盡管它的簡單性令人沉醉,但在數(shù)學(xué)處理上卻很困難,模型方程的精確解法仍然只存在于一維系統(tǒng)中。
但麥克唐納認(rèn)為,這些能夠?qū)崿F(xiàn)摩爾效應(yīng)的材料是哈伯德模型的完美映射。實驗證明,改變施加在TMD雙層材料樣本上的電壓,模型可以預(yù)測材料樣本一系列行為變化,如鐵磁性和反鐵磁性之間的轉(zhuǎn)換。隨著磁性轉(zhuǎn)換,原子旋轉(zhuǎn)方向也會隨之改變,不需要通過復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算,通過實驗也可得出模型預(yù)測結(jié)果。
麥克唐納說,摩爾系統(tǒng)還將給我們帶來多少驚喜,我們并沒有完全的信心。但通過“魔角”石墨烯超導(dǎo)性理解的研究進(jìn)展及預(yù)期,他表達(dá)了謹(jǐn)慎樂觀的態(tài)度:“這些進(jìn)展對于我們理解高溫超導(dǎo)性具有重要意義?!?/p>
一些驚喜是我們可以期待的,赫雷羅最初在這些系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)性就是一個完全出乎意料的驚喜。盡管在之后幾年里取得了持續(xù)進(jìn)展,但赫雷羅認(rèn)為,對于數(shù)百個有可能構(gòu)建成功的摩爾系統(tǒng)中,科學(xué)家的認(rèn)識還只限于表面,“這些都是非常復(fù)雜的系統(tǒng),它們具有各自不同的組成部分、幾何形狀及復(fù)雜程度”。
科學(xué)家們在這一未知領(lǐng)域內(nèi)已經(jīng)邁出了令人振奮的第一步,未來有許多可能性正等待著人們?nèi)ヌ剿骱桶l(fā)現(xiàn)。
>>>延伸閱讀
石墨烯:未來蘊含無限可能
“魔角”石墨烯擁有許多令人著迷的特性,這讓科研人員對它的研究欲罷不能。未來,還將有無限可能的新發(fā)現(xiàn),蘊藏在這種神奇材料中。
鐵磁性
“魔角”石墨烯能夠顯現(xiàn)出像鐵那樣的鐵磁特性。鐵磁性通過電子快速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生,屬于一種量子特性。在具有鐵磁特性的一些材料中,所有電子的旋轉(zhuǎn)方向都是一致的。
2019年,美國加州標(biāo)準(zhǔn)材料與能源科學(xué)研究所的戴維·戈登和他的同事,通過操縱“魔角”石墨烯的電子帶,首次觀察到了石墨烯的鐵磁性能??煽罔F磁性可通過開關(guān)控制,在一種叫做“自旋電子學(xué)”的電子技術(shù)中很有用,研究人員可利用電子自旋來給信息編碼,而不是電流脈沖。
新的準(zhǔn)粒子
對“魔角”石墨烯的研究還是發(fā)現(xiàn)新的奇特準(zhǔn)粒子的沃土,包括那些攜帶分?jǐn)?shù)電荷的準(zhǔn)粒子。電子電荷是一種基本單位,沒有比它電荷更小的自由粒子了。但在一種被稱為“分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)”的奇特現(xiàn)象中,電子表現(xiàn)得好像帶有分?jǐn)?shù)電荷。分?jǐn)?shù)電荷準(zhǔn)粒子的電子通常呈分離態(tài),在“魔角”石墨烯中,電子按準(zhǔn)粒子晶格排列,被稱為“分?jǐn)?shù)陳絕緣子”。
科學(xué)家研究分?jǐn)?shù)準(zhǔn)粒子,不僅是出于科學(xué)探索的好奇心,也出于實際應(yīng)用的需要。分?jǐn)?shù)準(zhǔn)粒子與“任意子”有著驚人的相似之處,而“任意子”是一種假想準(zhǔn)粒子,是量子計算迫切需要的。
在粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型中,基本粒子可歸為兩大類:一類是費米子,比如電子;另一類是玻色子,比如光子。準(zhǔn)粒子通常也遵循這樣的二分法。比如,庫珀對是玻色子,但任意子如果存在的話,就是介于玻色子和費米子之間的某種東西。有人提出,將特定類型的任意子當(dāng)作量子比特,可避免導(dǎo)致計算失誤的量子比特狀態(tài)翻轉(zhuǎn)或隨機(jī)化,這類錯誤正是阻礙目前量子計算機(jī)發(fā)展的一個“絆腳石”。
奇異量子效應(yīng)
有關(guān)石墨烯超薄材料奇異量子效應(yīng)的新發(fā)現(xiàn)不斷給人們帶來驚喜。2021年3月,美國哈佛大學(xué)的阿希文·維什瓦納斯和他的同事提出了扭曲石墨烯具有超導(dǎo)性的理論,該理論基于一種被稱為“斯格明子”的準(zhǔn)粒子。2021年12月,美國普林斯頓大學(xué)的研究人員發(fā)布了與這種斯格明子準(zhǔn)粒子有關(guān)的報告。2022年年初,赫雷羅在三層石墨烯中發(fā)現(xiàn)了超導(dǎo)性,哈佛大學(xué)菲利普·金姆領(lǐng)導(dǎo)的一個研究團(tuán)隊也獨立得出了相同結(jié)果。之后,赫雷羅的研究團(tuán)隊證實,四層甚至五層石墨烯中也存在超導(dǎo)性。
▲耐高溫實驗中的石墨烯材料。
哪些地方能用上石墨烯
電子材料領(lǐng)域
作為電極材料,石墨烯是絕佳的負(fù)極材料,被認(rèn)為是可以替代硅的芯片材料。另外,石墨烯在柔性屏幕、可穿戴設(shè)備、太陽能充電等領(lǐng)域的應(yīng)用也有待挖掘。
石墨烯在可穿戴設(shè)備領(lǐng)域具有一定應(yīng)用空間。例如,愛爾蘭科學(xué)家正在開發(fā)基于石墨烯的靈活可穿戴傳感器,并發(fā)現(xiàn)該傳感器能夠檢測到用戶最細(xì)微的動作,包括跟蹤呼吸和脈搏。另外,該傳感器還能實現(xiàn)自供電。
散熱材料領(lǐng)域
金屬納米石墨烯導(dǎo)熱塑料如應(yīng)用在LED燈具等產(chǎn)品的散熱上,其系統(tǒng)成本至少可降低30%。石墨烯所具有的快速導(dǎo)熱與散熱特性,使得石墨烯成為極佳的散熱材料,可用于智能手機(jī)、平板電腦、大功率節(jié)能LED照明、衛(wèi)星電路等。
汽車領(lǐng)域
石墨烯潤滑油有自修復(fù)性能,能形成潤滑保護(hù)膜,還具有抗磨性能和優(yōu)異的成膜性能。它所獨有的分水性能,可有效防止乳化。此外,它還具有很好的抗氧散熱性,可有效延長機(jī)油使用周期。
石墨烯還可應(yīng)用于動力電池負(fù)極復(fù)合材料、鋰電池正極導(dǎo)電劑和功能涂層鋁箔中,可極大減輕電池重量從而降低整車質(zhì)量、延長電池使用壽命,大大提高電動汽車?yán)m(xù)航里程和充電速度。將石墨烯應(yīng)用到熱成像設(shè)備的芯片中,將可能使未來汽車有夜視功能。
生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域
石墨烯具有突出的力學(xué)性能和生物相容性,將其作為增強(qiáng)填料可顯著提高生物材料的力學(xué)性能。在基因組測序技術(shù)領(lǐng)域,最近成功開發(fā)出來的DNA感測器,是一種以石墨烯為基礎(chǔ)的場效應(yīng)類晶體管設(shè)備,能探測DNA鏈的旋轉(zhuǎn)和位置結(jié)構(gòu)。該感測器利用石墨烯的電學(xué)性質(zhì),成功實現(xiàn)檢測DNA序列的微觀功能。
來自文匯報。