曹原发现的石墨烯超导有什么意义?

如题所述

曹原发现的石墨烯超导具有重要的科学研究意义。曹原及其研究团队通过将两片叠放的石墨烯交错至一个特殊的“魔角”,并将整体冷却到略高于绝对零度的温度,就能创造这一奇观。这种角度的旋转从根本上改变了双层石墨烯的性质:首先将其变为绝缘体,然后施加更强的电场,将其变为超导体

石墨烯能出现超导行为并不新奇,研究人员此前曾通过将石墨烯与已知为超导体的材料相结合,或通过与其他元素进行化学拼接的方式,诱导出石墨烯的超导态。

而这次的新发现之所以如此夺人眼球,是因为它通过一个简单的操作就诱导出石墨烯的超导特性。俄亥俄州立大学物理学家Chunning Jeanie Lau对此表示:“也就是说,将两个非超导原子层以特殊方式堆叠,就能让它们变成超导体?我想这是所有人都没想到的。”

让参与的物理学家更为激动的是实现这种超导的方式。有迹象表明,双层石墨烯的这一神奇特性或来源于电子之间较强的相互作用,也称为“关联”(correlation)——这种行为被认为是复杂材料出现奇异物态的原因。一些复杂材料,比如那些能在相对高温(仍远低于0°C)下实现超导的材料已经困扰了物理学界30多年。

如果简单如石墨烯的超导性也是由相同机制引起的,那石墨烯也许可以成为理解高温超导现象的“罗塞塔石碑”(Rosetta stone)。对高温超导现象的理解反过来也能帮助研究人员创造出能在接近室温的条件下超导的材料,从而彻底革新诸多现代技术领域,包括交通和计算。

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第1个回答  2019-07-14

曹原发现的石墨烯超导对超导体的物理基础理论研究有十分重要的价值意义。

石墨烯超导对物理学基础研究有着特殊意义,它使得一些此前只能在理论上进行论证的量子效应可以通过实验经行验证。

在二维的石墨烯中,电子的质量仿佛是不存在的,这种性质使石墨烯超导成为了一种罕见的可用于研究相对论量子力学的凝聚态物质——因为无质量的粒子必须以光速运动,从而必须用相对论量子力学来描述,这为理论物理学家们提供了一个崭新的研究方向:一些原来需要在巨型粒子加速器中进行的试验,如今可以在小型实验室内用石墨烯进行。

石墨烯超导还具有所谓的量子霍尔效应,这种诺贝尔奖量级的重要效应以往是要在极低温下才能显现的,石墨烯却能将它带到室温下。

随着批量化生产以及大尺寸等难题的逐步突破,石墨烯的产业化应用步伐正在加快,基于已有的研究成果,最先实现商业化应用的领域可能会是移动设备、航空航天、新能源电池领域。

第2个回答  2019-07-11

曹原的研究之所以会引发关注,是因为只需简单操作,无需引入其他物质,就能使石墨烯出现超导现象。对于这种双层石墨烯超导体的深入研究,将能为高温超导体甚至室温超导体的研究指明方向。如果能够成功制造出室温超导体,这必将对现代文明产生深远的影响。因此,曹原的研究具有十分重要的意义。

曹原年仅22岁就已第一作者的身份在《自然》(Nature)杂志发表了两篇重磅文章,由此引发了世界的关注。要知道,以前评中科院院士,只要一篇一作Nature或者Science即可。

虽然现在没有这样的现象了,但Nature或者Science在科学领域中属于顶级杂志的地位无法动摇,很少有人能在上面发论文。由于曹原的突破性工作,他登上了《自然》杂志评选的2018年年度十大科学人物,他的研究成果也被做成封面。

石墨烯源自于石墨。石墨是由多层碳原子层组成,每层中的碳原子以蜂窝状的多个六边形排列在一起,每层之间的距离大约0.335纳米。如果把石墨的多层结构剥离成一层一层的结构,得到的材料就是石墨烯。由于石墨烯的特殊结构,它具有优异的力学、电学、磁学和热学性能,所以石墨烯改性一直都是研究热点。

实际上石墨烯本来就存在于自然界,只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨,厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过,留下的痕迹就可能是一层甚至几层石墨烯。

2004年,英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃消洛夫(Konstantin Novoselov)发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从高定向热解石墨中剥离出石墨片,然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上,撕开胶带,就能把石墨片一分为二。不断地这样操作,于是薄片越来越薄,最后,他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片,这就是石墨烯。

这以后,制备石墨烯的新方法层出不穷。2009年,安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在单层和双层石墨烯体系中分别发现了整数量子霍尔效应及常温条件下的量子霍尔效应,他们也因此获得2010年度诺贝尔物理学奖。

在发现石墨烯以前,大多数物理学家认为,热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。所以,它的发现立即震撼了凝聚体物理学学术界。虽然理论和实验界都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在,但是单层石墨烯能够在实验中被制备出来。

第3个回答  2019-07-10

明确地说,曹原所制备出来的特殊石墨烯并非常温超导体(一般称室温超导体)。

曹原年仅22岁就已第一作者的身份在《自然》(Nature)杂志发表了两篇重磅文章[1][2],由此引发了世界的关注。要知道,以前评中科院院士,只要一篇一作Nature或者Science即可。

虽然现在没有这样的现象了,但Nature或者Science在科学领域中属于顶级杂志的地位无法动摇,很少有人能在上面发论文。由于曹原的突破性工作,他登上了《自然》杂志评选的2018年年度十大科学人物,他的研究成果也被做成封面。

曹原的主要工作是石墨烯超导的研究,但这种石墨烯的超导温度并非是常温,而是很低的温度,只比绝对零度了高了一点,有关曹原制备出室温超导体的报道是不实的。

曹原的研究是把两层石墨烯堆叠在一起,然后通过旋转两层产生不同的角度来研究其导电能力。当他把角度旋转到1.1度,并且把温度降低至1.7开尔文(即比绝对零度高了1.7度,-271.45摄氏度),这种双层石墨烯材料表现出了超导现象,成为零电阻、完全抗磁性的超导体。曹原制备出的石墨烯超导体属于低温超导体,其超导临界温度远低于冰点0 ℃,所以这种材料并非室温超导体。

第4个回答  2019-07-09

曹原的这次发现可以说能为高温超导体甚至室温超导体的研究指明方向,同时也必将为人类的现代文明产生深远的影响。曹原的研究可以应用于医疗设施,电网设备、电子产品等生活设施中,还可以以应用在超级计算机,超级高铁等前沿科技中。

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。

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。

曹原的研究最大的意义在于:双层石墨烯仅仅只是做了简单的旋转,就从绝缘体变成了超导体,这样的发现可以说是非常不可思议的。

可以说曹原团队的这一发现给科学研究带来了新的思路,对于理解高温超导电性具有重要意义,也为高温超导现象提供了研究平台,是近几十年来,超导研究领域最令人兴奋的事。可以说解决了困扰世界物理学家的难题,也给已停滞多年的高温超导研究带来一些新的突破。

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