曹原發現的石墨烯超導有多大意義?


曹原發現的石墨烯超導有多大意義?


以前我們實驗室有同門做過石墨烯,對於其性質略知一二。可以明確地說,曹原所製備出來的特殊石墨烯並非常溫超導體(一般稱室溫超導體)。

曹原年僅22歲就已第一作者的身份在《自然》(Nature)雜誌發表了兩篇重磅文章[1][2],由此引發了世界的關注。要知道,以前評中科院院士,只要一篇一作Nature或者Science即可。雖然現在沒有這樣的現象了,但Nature或者Science在科學領域中屬於頂級雜誌的地位無法動搖,很少有人能在上面發論文。由於曹原的突破性工作,他登上了《自然》雜誌評選的2018年年度十大科學人物,他的研究成果也被做成封面。

曹原的主要工作是石墨烯超導的研究,但這種石墨烯的超導溫度並非是常溫,而是很低的溫度,只比絕對零度了高了一點,有關曹原製備出室溫超導體的報道是不實的。


曹原發現的石墨烯超導有多大意義?


石墨烯源自於石墨。石墨是由多層碳原子層組成,每層中的碳原子以蜂窩狀的多個六邊形排列在一起,每層之間的距離大約0.335納米。如果把石墨的多層結構剝離成一層一層的結構,得到的材料就是石墨烯。由於石墨烯的特殊結構,它具有優異的力學、電學、磁學和熱學性能,所以石墨烯改性一直都是研究熱點。

曹原的研究是把兩層石墨烯堆疊在一起,然後通過旋轉兩層產生不同的角度來研究其導電能力。當他把角度旋轉到1.1度,並且把溫度降低至1.7開爾文(即比絕對零度高了1.7度,-271.45攝氏度),這種雙層石墨烯材料表現出了超導現象,成為零電阻、完全抗磁性的超導體。曹原製備出的石墨烯超導體屬於低溫超導體,其超導臨界溫度遠低於冰點0 ℃,所以這種材料並非室溫超導體。


曹原發現的石墨烯超導有多大意義?


迄今為止,人類製造出的最高溫度超導體是LaH10,其超導臨界溫度為250開爾文,即-23攝氏度,離室溫超導體還有些差距[3]。另外,這種材料的超導現象需要在170吉帕斯卡的高壓(相當於地表大氣壓的170萬倍)之下才能實現。

曹原的研究之所以會引發關注,是因為只需簡單操作,無需引入其他物質,就能使石墨烯出現超導現象。對於這種雙層石墨烯超導體的深入研究,將能為高溫超導體甚至室溫超導體的研究指明方向。如果能夠成功製造出室溫超導體,這必將對現代文明產生深遠的影響。因此,曹原的研究具有十分重要的意義,這也是為什麼他廣受關注的原因。

參考文獻

[1] Yuan Cao, Valla Fatemi, Shiang Fang, et al., Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices, Nature, 2018, 556, 43-50.

[2] Yuan Cao, Valla Fatemi, Ahmet Demi, et al., Correlated insulator behaviour at half-filling in magic-angle graphene superlattices, Nature, 2018, 556, 80-84.

[3] A. P. Drozdov, P. P. Kong, V. S. Minkov, S. P. Besedin, et al., Superconductivity at 250 K in lanthanum hydride under high pressures, arXiv:1812.01561.


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