你见过既能导电又能绝缘的矛盾体吗?

来源:煎蛋发布时间:2018-03-08

这么矛盾的情况在石墨烯这种神奇的材料身上实现了。

你见过既能导电又能绝缘的矛盾体吗?

图片来自于: 麻省理工学院

石墨烯是一种“神奇材料”,能够展现出两种极端的电学性能。麻省理工学院和哈佛大学的研究人员发现,它既可作为绝缘体(电荷无法通过材料),又可作为超导体(电子毫无障碍地通过材料,电阻为零)。

2004年,英国曼彻斯特的科学家首次制造出石墨烯。此后,科学家接连发现石墨烯具有令人震惊的性能。石墨烯是人类所知的最薄材料,大致就是一层蜂巢状的碳原子。它极其轻盈、格外灵活,单层每平方米仅重0.77毫克;但同时,它又比钢铁坚韧百倍。一头大象站在一根铅笔上,才能戳破一层保鲜膜厚度的石墨烯。此外,它的导电性远胜于铜,因此许多人认为它是未来“超级电子产品”的支柱。

之前,科学家通过向超导体金属掺杂石墨烯,合成石墨烯超导体——这样一来,石墨烯会“继承”超导体特性。如今,麻省理工学院的物理学副教授Pablo Jarillo-Herrero发现了一种新方法,能够让石墨烯自行成为超导体。

我们用“能带”来描述材料的导电能力,每个能带代表电子能够拥有的能量范围。能带之间存在“能隙”。若想跃过能隙,电子需要额外能量。完全被电子占据的能带是“满带”,满带中的电子不导电;部分被电子占据的能带是“导带”,导带中的电子会导电。所谓绝缘体,就是电子全都待在满带;所谓导体,就是存在部分被电子占据的能带。

然而,“莫特绝缘体”却是一种奇特的材料。从能带结构看,它应该能导电,但却是绝缘体。它之所以绝缘,是因为电子之间存在强烈的静电作用。因此,所有电子都被封锁,无法流动。莫特绝缘体非常重要,它是大多数高温超导体的母体化合物。

这回,研究人员发现:将两叠石墨烯叠在一起,并旋转至1.1度,它将呈现出类似莫特绝缘体的绝缘效果——无论动量如何,所有电子携带相同能量。然而,当研究人员为它施加电压、添加少量电子时,神奇的事情又发生了。在一定水平上,电子打破了绝缘状态,毫无阻力地流动,仿佛是超导体。

如今,科学家可以利用石墨烯,探究非常规的超导电性。我们甚至能想象石墨烯被制成超导晶体管——只要按下开关,就可以转换超导性能和绝缘性能。这为量子设备提供了许多可能性。

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