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漫谈神奇石墨烯的绝缘超导与抗磁性

#妙笔生花#
超导体也被称为超导材料 ， 它一般是指在某一温度下 ， 电阻为零的导体 。 在实验中 ， 若导体电阻的测量值低于10的-25次方Ω ， 就可以认为电阻为零 。 超导体不仅具有零电阻的特性 ， 另一个重要特征是完全抗磁性 。
超导体的应用可分为三类：强电应用、弱电应用和抗磁性应用 。 强电应用即大电流应用 ， 包括超导发电、输电和储能；弱电应用即电子学应用 ， 包括超导计算机、超导天线、超导微波器件等；抗磁性应用主要包括磁悬浮列车和热核聚变反应堆等 。
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而超导体的发现则来源于1911年荷兰科学家海克·卡末林·昂内斯的一次意外之举 ， 1908年 ， 得益于低温技术的发展 ， 来自荷兰莱顿大学莱顿低温实验室的昂内斯教授以极大的精力改善了实验室装备 ， 通过采用压缩氮气节流预冷氢、氢压缩节流预冷氦 ， 最终用压缩节流的方法将氦液化 ， 获得了4.2K的低温 。 成功将最后一种“永久气体”——氦气液化 。
低温研究的突破 ， 为超导体的发现奠定了基础 。 再接再厉的昂内斯在1911年发现 ， 在4.3K低温以下 ， 铂的电阻保持为一常数 ， 而不是通过一极小值后再增大 。
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【漫谈神奇石墨烯的绝缘超导与抗磁性】因此昂内斯认为纯铂的电阻应在液氦温度下消失 。 为了验证这种猜想 ， 昂内斯选择了更容易提纯的汞作为实验对象 。 首先 ， 昂内斯将汞冷却到零下40℃ ， 使汞凝固成线状；然后利用液氦将温度降低至4.2K附近 ， 并在汞线两端施加电压；当温度稍低于4.2K时（相当于-269℃时 ， 将开氏温度转变为摄氏度的公式就是开氏温度-273 ， 因为绝对零度是-273度） ， 汞的电阻突然消失 ， 表现出超导状态 ， 后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性 ， 由于它的特殊导电性能 ， 卡茂林-昂尼斯称之为超导效应 。
在他之后 ， 人们开始把处于超导状态的导体称之为“超导体” 。 1933年 ， 荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德共同发现了超导体的另一个极为重要的性质 ， 当金属处在超导状态时 ， 这一超导体内的磁感应强度为零 ， 却把原来存在于体内的磁场排挤出去 。 对单晶锡球进行实验发现：锡球过渡到超导态时 ， 锡球周围的磁场突然发生变化 ， 磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了 ， 人们将这种现象称之为“迈斯纳效应” ， 这也就是我们在一开始说的半导体具有完全抗磁性 。
由此 ， 迈斯纳效应和零电阻现象是实验上判定一个材料是否为超导体的两大要素 。 超导已有了一些重要的实际应用 ， 如用于医院里的核磁共振成像、高能加速器、磁约束核聚变装置等 ， 但长期以来 ， 制约超导体广泛应用的一个主要瓶颈是 ， 最佳超导体需要用液氦或液氮加以冷却才能使用（往往冷却至-250℃） 。
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理论物理学家也在试图解开超导体的奥秘 ， 直到1957年 ， 三位物理学家提出BCS理论 ， 近自由电子模型为基础 ， 是在电子－声子作用很弱的前提下 ， 解释常规超导体的超导电性的微观理论 ， 并因此获得1972年诺贝尔物理学奖 。
美国物理学家麦克米兰还发现 ， BCS理论存在一个极限温度大约39K ， 高于这个温度后的任何物质 ， 都不能形成超导态 ， 这个发现被称为麦克米兰极限 ， 这一极限打击了人们的信心 ， 因为如此低的温度难以用于实际 。
因为人类追求的是实现常温超导 ， 这样低的温度实在是难以在现实生活运用 ， 难度太大 ， 投入太高 ， 目前科学家还在对高温超导领域进行探究 ， 高温超导体并不是大多数人认为的几百几千的高温 ， 只是相对原来超导所需的超低温高许多的温度 ， 不过也有零下几百多摄氏度 。 而在人类所研究的超导中温度算提高非常多 ， 所以称之为高温超导体 。
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 。
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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？
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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 。
材料导电的能力通常用能带来表示 。
单个能带表示材料的电子能具有的能量范围 。
带之间有一个能隙 ， 当一个带被填满时 ， 电子必须包含额外的能量来克服这个能隙 ， 以便占据下一个空带 。


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