石墨烯為什么能獲得諾貝爾獎

我們使用的鉛筆是由石墨制成的，而石墨是由碳制成的，它具有一種不尋常的結(jié)構(gòu)，這賦予它一些非凡的特性。當(dāng)我們把它去除到只剩一層時(shí)，石墨變成石墨烯。這種材料是如此非凡，以至于即使在今天，我們也仍在發(fā)現(xiàn)出乎意料的新特性，并超越了我們所理解的界限。

1859年，Benjamin Brodie注意到熱還原氧化石墨的高度層狀結(jié)構(gòu)。直到1916年，Peter Dubye 和 Paul Scherrer才確定了石墨的結(jié)構(gòu)。1947年，P. R. Wallace在研究3D石墨的電子特性時(shí)是第一個探索石墨烯存在的人。次年，Reuss和F. Vogt捕捉了幾個石墨烯層組成的薄石墨樣品的圖像。1961年，Hanns-Peter Boehm發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于極薄石墨薄片的研究，并為假設(shè)的單層結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了石墨烯一詞。

通過機(jī)械剝離制造石墨薄膜的嘗試從1990年開始，但直到2004年，Andre Geim和Konstantin Novoselov才分離出單層石墨烯，他們也獲得了2010年的諾貝爾獎。

石墨烯具有一些非凡的特性，每個原子的四個外殼電子中的三個占據(jù)三個sp2 雜化軌道，剩余的外殼電子占據(jù)垂直于平面取向的Pz軌道。這些軌道混合在一起形成兩個半填充的自由移動電子帶，這些帶是石墨烯大部分顯著電子特性的原因。

過去，研究人員能夠通過將材料與其他超導(dǎo)金屬接觸來合成石墨烯超導(dǎo)體，這允許石墨烯繼承一些超導(dǎo)行為。在一項(xiàng)新工作中，研究人員希望更進(jìn)一步，讓石墨烯本身成為超導(dǎo)體。他們通過創(chuàng)建一個由兩個石墨烯片堆疊在一起的超晶格來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，這兩個石墨烯片不是精確地堆疊在一起，而是以所謂的1.1度的魔角稍微扭轉(zhuǎn)。這會在六邊形晶格中產(chǎn)生一個小的偏移，從而產(chǎn)生一種云紋圖案，該圖案會在石墨烯片中的電子之間引起異常強(qiáng)的相關(guān)相互作用。

在其他堆疊結(jié)構(gòu)中，石墨烯更傾向于保持獨(dú)特性，并且不會與其他層發(fā)生太多相互作用。當(dāng)這些層以魔角扭轉(zhuǎn)時(shí)，兩片石墨烯表現(xiàn)出不導(dǎo)電的行為。然后當(dāng)他們施加電壓后，少量電子被添加到石墨烯超晶格中。在某一時(shí)刻，電子突破其初始絕緣狀態(tài)并無阻力地流動，就像通過超導(dǎo)體一樣。

在一項(xiàng)相關(guān)研究中，科學(xué)家通過改變自旋軌道耦合進(jìn)一步推進(jìn)了這一概念。自旋軌道耦合是某些材料中電子行為的一種狀態(tài)，其中每個電子的自旋都與其圍繞原子核的軌道相連。自旋軌道耦合是粒子自旋與其在勢內(nèi)運(yùn)動的相對論相互作用。由于電子磁偶極子、其軌道運(yùn)動和帶正電原子核的靜電場之間的相互作用，這種現(xiàn)象會導(dǎo)致電子原子能級發(fā)生變化。這可以作為光譜線的分裂被檢測到，可以將其視為兩種相對論效應(yīng)的塞曼效應(yīng)產(chǎn)物。

自旋軌道耦合可以產(chǎn)生廣泛的有趣的量子現(xiàn)象，但它通常不存在于魔角石墨烯中。因此為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，研究人員將魔角石墨烯與一種特殊的二硒化鎢塊連接起來，這是一種具有強(qiáng)自旋軌道耦合的材料。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流在存在外部磁場的情況下沿一個方向流過材料時(shí)，它會在垂直于電流的方向上產(chǎn)生電壓。該電壓稱為霍爾效應(yīng)，是材料中固有磁場的一個明顯信號。

令研究人員驚訝的是，他們能夠證明他們可以控制樣品的磁性，將其變成鐵磁體。他們發(fā)現(xiàn)可以通過外部磁場和電場來控制魔角石墨烯，這為計(jì)算機(jī)存儲開辟了新途徑。另一個潛在的應(yīng)用是量子計(jì)算，這里的障礙之一是需要提供磁體和超導(dǎo)體之間的界面，但磁體通常對超導(dǎo)性具有破壞性。但是一種既具有鐵磁性又具有超導(dǎo)性的魔角石墨烯可以提供這樣的界面。