B、从角欠说双层石墨烯扭角到“魔角”寻暗物质 《纳微快报》发表的《魔幻角度会出现超导超晶格?》,作者是一个外国人──韩国大邱庆北科学技术院的金贤民教授。他说的亮点,我们注意的不在“扭曲双层石墨烯的制备技术”,而在“双层石墨烯扭曲以及控制扭曲双层石墨烯的特性”上。 金贤民教授的文章一打开,是一张很大的正六边形环的示意图。这个大的正六边形环图外,下面还压着一个同样大的正六边形,只是六个顶角在原位上又旋转了30°的角度,成了12个角形。而在大的正六边形环内,有一个同样形状的12个角形的小一些的正六边形转角图。连接环内这12个角形顶点,错开的两段,再以此边长作两个小正六边形。以此类似“元胞自动机的构建和功能”中,“元胞”堆叠,那么这里类似的“角欠”,与左芬教授等说的凸多面体是不同的。 1)二维(2D)材料,特别是石墨烯,具有较强的物理,化学,电子和光学特性。通过堆迭两个单层石墨烯来制造双层石墨烯。当其中一层以小角度扭曲时,会形成扭曲的双层石墨烯超晶格。 2)扭曲双层石墨烯中,由于石墨烯在不同类型的2D材料中具有卓越的物理和电子特性,紊乱和层间相互作用的存在,增强了一些特性,包括光学和电学特性。 3)在双层石墨烯中,以魔角报道了超导性之后,扭曲双层石墨烯的制备,及其依赖于扭曲角的特性,都有了新进展,可见类似从自旋寻暗物质的材料和定义暗物质的重要性。 4)制备扭曲双层石墨烯,双扭曲三层石墨烯,以及单层石墨烯片的折迭,不同结合能扭曲双层石墨烯的恒定能量轮廓的迭加──扭曲角为6°和13°的扭曲双层石墨烯,扭曲度为2.3°和5.9°的扭曲双层石墨烯等不同材料,魔角石墨烯超晶格中的非常规超导性会有不同的异常超导行为。所以扭曲的双层石墨烯,类似一种新颖的从自旋寻找暗物质的结构,显示出与堆迭的双层石墨烯类似的“暗物质”材料有不同的基本特性。而且在很大程度上,取决于两个石墨烯层之间的扭曲角(θ)。扭曲双层石墨烯光学性质的发展和变化,预示在未来百年之大变局中“暗物质”领域将得到广泛应用。 3、曹原魔角到金贤民扭角揭晓自旋暗物质材料吗 A、不要说暗物质发现迟──有志不在年高 不知金贤民教授通过堆迭两个单层石墨烯来制造双层石墨烯──当这些层以小角度扭曲时,会形成扭曲的双层石墨烯超晶格,是否受到曹原教授发表的论文的启发?──曹原发现的旋转双层石墨烯在接近魔角时,会经过一个转变,变成一个莫特(Mott)绝缘体。 曹原,1996年生,有说是成都人。但2019年10月9日绵阳市社科联主办《绵阳论坛》杂志特邀编辑的刘文传先生,告诉说:“20岁就在2016年《物理评论快报》上发表对扭曲双层石墨烯的研究、引起凝聚态界广泛兴趣的曹原,是出生在绵阳市游仙区,父母也是游仙区的人。不久前曹原来绵阳,还被南山中学等请去作过学习交流报告”。这真是有志不在年高,也像“暗物质”研究,观点有不同出处。 但2018年12月18日曹原登上《自然》年度科学人物榜首”,确定的。2018年3月5日英文期刊《自然》连刊两文报道石墨烯超导重大发现,第一作者曹原来自中国,他发现当两层平行石墨烯堆成约1.1°的微妙角度,就会产生神奇的超导效应轰动国际学界。 但说到“莫特绝缘体”,2005年9月3日新华社汉城电据韩国媒体报道,韩国电子通信研究院基础技术研究所博士金铉卓领导的研究小组,在绝缘体导电实验中,对不能通电的“莫特绝缘体”材料钒氧化物等施以电压冲击,使电流通过该材料并继续“流动”,产生“金属--绝缘体转移”现象。首次证实50多年前英国科学家莫特提出的绝缘体可以导电的猜想。这是固体物理学领域的又一重要发现。 到2019年10年22日又有媒体网络文章《莫特绝缘体中的原子级磁性“信号”被揭晓》,报道美国波士顿学院、麻省理工学院和加州大学圣巴巴拉分校等科学家,在探索莫特绝缘体的属性时捉摸到原子尺度磁信号──在原子水平上这些绝缘体可以通过添加电子电荷将其处理成金属状态,这一过程称为掺杂。莫特绝缘体的特点是电子由于强烈的电子-电子相互作用而局部化,并且通常伴随着磁性有序化。在这种情况下开发并研究莫特绝缘体铱酸锶(一种氧化物)的表面,呈单晶形式。在许多复杂氧化物中,磁性有序化嵌入到其他相的空间不均匀景观中。在单个原子长度尺度上进行测量,同时使用电荷和自旋灵敏度发现:在低掺杂水平下,材料电子的均匀反铁磁有序,在绝缘体到金属转变附近融化成碎裂的、“片状”的反铁磁有序。 也许像曹原发现的旋转双层石墨烯在接近魔角时,是类似在“暗物质”材料尺度水平上研究莫特绝缘体──为纪念英国物理学家兼1977年诺贝尔物理奖得主莫特,命名的莫特绝缘体,像NiO、CoO、MnO等过渡金属简单氧化物,一个晶胞中具有奇数个价电子,按照能带理论应当有良好的导电性,而实验表明却是透明的绝缘体。也许与莫特曾在1949年提出绝缘体能像金属那样导电的猜想,但一直没人通过实验加以证实类似,“暗物质”材料尺度存在于原子级水平石墨烯超导绝缘体的磁性“信号”中,等待揭示──类似在能带理论中,采用单电子近似,即本质上忽略了电子-电子相互作用。根据能带理论,CoO应当是金属,但实验发现这个结论是错误的,实际上CoO是有很大能隙的绝缘体。莫特认为不管能带理论计算多精巧,只要忽略了电子之间的关联,就必定在处理强关联电子系统时失败。 CoO等这类过渡金属氧化物被称为莫特绝缘体。“暗物质”是带理论的磁性状态半导体,而莫特绝缘体是带理论的金属,是应该分类在常规能带理论之下的导体,当在特别低温测量时是绝缘体。这个作用归结于电子和电子的相互作用,在常规能带理论上没有被考虑。 带理论的金属指即使预期的方式,电子-电子斥力的作用的绝缘体是该状态。根据能带理论,当每个晶胞的电子数为奇数时,该能带仅被部分占据,因此它必须是金属的。然而在实践中单元电池每电子即使在化合物数量为奇数,金属特定电导率也没有显示。莫特指出的这种转变不应该相对于绝缘相处于磁性状态,而是实际的“莫特绝缘子”处于磁性状态,例如反铁磁性。 B、直搭梯子,斜搭梯子,螺旋梯子 2013年曹原在中国科技大学参加了计算物理课程计划,其目的是利用有限元方法计算铁磁流体在磁场中表面图案的形成。有一篇关于这项工作的研究论文后来发表在《磁性与磁性材料》杂志上。2012~2014年曹原在中国科技大学曾老师的指导下,以本科生身份,通过理论方法研究了超晶格对石墨烯及其等离子体性质的影响,研究结果发表在2014年的《物理评论B》杂志上。曹原2013年赴英国牛津大学陈玉林研究小组进行交流,在这为期三个月的交流项目中,他做了一些角分辨光电发射光谱实验的数据分析和编程。2013~2014年在中国科技大学参与了用光还原氧化石墨烯制作超级电容器的项目。采用一个可编程的激光划片器将氧化石墨烯还原成超电容器。 2014年至今曹原在美国麻省理工学院研究小组担任研究助理,其研究主要集中在基于石墨烯和过渡金属化合物的二维体系及其相互作用和物理性质。曹原对扭曲双层石墨烯的研究已经于在2016年的《物理评论快报》上发表了一篇论文;在2018年3月5日的《自然》杂志上发表了两篇论文──这两篇以曹原为第一作者的论文,是发现当两层平行石墨烯堆成约1.1°的微妙角度,就会产生神奇的超导效应,直接开辟了凝聚态物理的一块新领域。 其实曹原的当两层平行石墨烯堆成约1.1°的微妙角度,会产生神奇的超导效应的发现,其原理可用以下初浅直观类似宏观的直搭梯子,斜搭梯子,螺旋梯子等三个唯象图形,来比喻对照简单地说明。
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