石墨超導技術怎麼樣

① 未來科技新高度——超導材料石墨烯

石墨是由超薄的純碳片堆疊而成。

2004 年，曼徹斯特大學的兩名科學家進行了一項看似簡單的實驗， 他們把[膠帶]粘在石墨或雲母上，然後剝掉他。石墨片會脫落膠帶上。然後把膠帶對折，然後再把它們分開。然後重復這個過程 10 或 20 次。每次，薄片分裂成越來越薄的薄片。最後，你的膠帶上只剩下非常薄的薄片，把溶解膠帶溶解成溶液 。這樣就分離出單片石墨，這是一種難以置信的薄碳層，只有一個原子厚。

通過分離單層碳片，Geim 和 Novoselov 發現了一種名為石墨烯的全新材料，現在人們認為這種材料是 地球上最強、最輕和最導電的物質 。

2010 年，海姆和諾沃肖洛夫因發現石墨烯而分享 諾貝爾物理學獎 ， 世界各地的研究人員開始呼籲如何使用這種非凡的「超級材料」來製造更強大、更持久的電池、更快的微晶元、柔性電路、可植入的生物感測器和更多。十年後，石墨烯尚未兌現其大肆宣傳的承諾，但業內人士相信，我們最終將在未來幾年內看到使用石墨烯技術的智能手機、電動 汽車 和感測器。

如果你能放大到足夠近，你會看到一片石墨烯看起來像一個原子級的蜂窩。單個碳原子以類似於鐵絲網的六邊形圖案排列。石墨烯片中的每個碳原子都與其他三個碳元素共價鍵合，這使材料具有令人難以置信的強度。

為什麼石墨烯的導電性這么好？同樣，由於這些碳原子的鍵合方式。每個碳原子的外殼都有四個電子，但其中只有三個電子與其相鄰的三個碳原子共享。剩下的電子被稱為pi 電子，它可以在三維空間中自由移動，這使得它可以幾乎沒有阻力地在石墨烯片上傳輸電荷。事實上，在任何已知物質中，石墨烯是室溫下導電速度最快的導體。

多年來，消費者一直熱切期待基於石墨烯的電池。我們所有小工具中的鋰離子電池充電速度都相對較慢，很快就會流失電量並在一定次數的循環後燒壞。這是因為為鋰離子電池供電的電化學過程會產生大量熱量。

但由於石墨烯是世界上最高效的電導體，因此在充電或放電時產生的熱量要少得多。基於石墨烯的電池有望實現比鋰離子電池快 5 倍的充電速度、3 倍的電池壽命和 5 倍的更換周期。

三星和華為子公司正在積極開發用於智能手機和其他設備的石墨烯電池，但最早上市時間是 2021 年 。至於電動 汽車 中的石墨烯電池——這可能會大大增加它們的行駛半徑——這還需要幾年的時間。整個行業都建立在鋰離子技術之上，不會一夜之間改變。

生物感測器是一個重大領域。想像一個非常薄且靈活的晶元，它可以注入血液中以監測胰島素水平或血壓等實時 健康 數據。或者一個石墨烯介面，它來迴向大腦發送信號，以檢測即將到來的癲癇發作，甚至預防它。薄的、可拉伸的感測器也可以佩戴在皮膚上或編織到衣服的織物中。

光子學是另一個已經結合石墨烯的領域。通過將石墨烯集成到光敏晶元中，相機和其他感測器可以大大提高對可見和不可見光譜中最微弱光波的靈敏度。這不僅會提高相機和望遠鏡的圖像質量，還會提高醫學圖像的質量。

過濾是石墨烯的另一個有前途的應用。用石墨烯聚合物製成的簡單水凈化過濾器可以與飲用水中的有機和無機污染物結合。

讓我們迎接下一個 科技 大爆發吧。

② 大一 | 解讀上兩次Nature的超導「魔角」石墨烯

一個名叫曹原的在MIT讀博的21歲男孩以第一作者一天發了兩篇Nature，曾經在中科大少年班。知乎上很多人說，「和曹原是初中同學這件事，我可以吹一輩子！」「和他是本科同學，我們的存在就是為了襯托他的優秀。」「你會發現人與人之間的差距和人與狗的差距還要大。」

然後前兩天一個理科選修課的作業是pre一篇Nature/Science上的文章，我們就選了一篇Nature的編輯覺得曹原這兩篇文章非常有意思遂為他又寫了一篇News&Views版面的文章：Novel electronic states seen in graphene.

畢竟是做了很多准備而且覺得有一些科普還是不很直白吧，遂結合文章和查到的一些其他科普文整理了一下我們一群大一學生的「成果」，也算是對自己努力的紀念了（畢竟我是個文科專業的學生啊！完全非功利之心的純粹努力啊！）。僅需高中理化基礎即可！

一、超導體

（1）超導的發現

1911年，荷蘭萊頓大學的H·卡茂林·昂內斯意外地發現，汞在-268.98℃（4.2K）時電阻消失。後來他又發現許多金屬和合金都具有與上述汞相類似的低溫下失去電阻的特性，由於它的特殊導電性能，H·卡茂林·昂內斯稱之為超導態。昂內斯由於他的這一發現獲得了1913年諾貝爾獎。

（2）按解釋的理論分類：

常規超導體 V.S 非常規超導體

如果超導的機理可以用常規理論解釋，就是常規超導體，如果不能，就是非常規超導體。

（3）按材料達到超導的臨界溫度分類：

高溫超導體 V.S 低溫超導體

高溫超導體是具有高臨界轉變溫度（Tc）能在液 氮 溫度條件下工作的超導材料。成分多是以銅為主要元素的多元金屬氧化物，氧含量不確定，具有陶瓷性質，具有明顯的層狀二維結構。

低溫超導體具有低臨界轉變溫度（Tc＜30K），在液 氦 溫度條件下工作的超導材料。分為金屬、合金和化合物。具有實用價值的低溫超導金屬是Nb( 鈮 )。

（4）高溫超導，目前包括銅氧化物高溫超導和鐵基高溫超導兩大類材料

但它們都是 非常規 高溫超導材料——並不能用常規理論解釋—— 高溫超導機理至今仍然是凝聚態物理領域懸而未決的重大謎題之一 （涉及最基本的物理問題：在多體關聯電子體系中的集體量子凝聚行為，目前解釋這個現象的凝聚態物理理論框架，尚未完全建立）。

（5）應用：

1、軍事上即聚能武器

2、超導發電機。幾乎沒有能量損失，減小體積，提高發電效率。這在國防、科研、工業上具有極大的意義。

3、超導電磁推進系統，高航速、低消耗的艦艇。

4、醫用超導磁體。

5、超導計算機。

二、石墨烯

石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp²雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料。可以理解為單層石墨啦。

每一個碳原子都有四個價電子，其中三個通過sp²雜化軌道和別的碳原子聯結成鍵，剩下一個p軌道的電子在與該層石墨烯垂直的軌道上「運動」。（它並不在任何「一層石墨」上，可以自由移動，遂石墨能導電。）

三、關於研究邏輯

之所以叫「邏輯」，是因為本文的理論我們都沒怎麼看懂。（但這並不意味著沒有收獲或意義。）

總邏輯線：按「魔角」角度旋轉的雙層石墨烯中發現了新型電子狀態，通過一頓操作成功模擬了高溫超導中的物理狀態。

具體來說：

首先，按魔角（magic angle）旋轉兩層石墨烯（方法：拉堆技術tear and stack technique）。

於是改變了兩層石墨烯的狄拉克錐能帶雜化效果，即，在原本完美的狄拉克錐上打開一個 能隙 並使狄拉克點上的 費米速度 被重整化。

這里的能帶的雜化，我們的理解和軌道雜化是有相通之處的：石墨烯的每個碳原子有4個價電子，其中3個以sp2雜化軌道成鍵和另外3個碳原子相連，剩下一個電子在與石墨烯平面垂直的p軌道，兩層石墨烯經過旋轉，那麼兩層石墨烯之間的電子軌道還會有神奇的雜化，軌道的雜化帶來能量的雜化，用「圖」來表示就是能帶的雜化。

能帶雜化的變化效果，也就是隨著旋轉角度的改變，原本呈錐形（和狄拉克方程有關）的能帶圖形改變了。

關注到旋轉兩層石墨烯的另一效果：改變「費米速度」。雖然並不知道費米速度是什麼，但總之讓費米速度變成零的角度就是「魔角」。

按照魔角旋轉，會產生兩個現象：擴展元胞&摩爾紋。

此處的元胞和晶胞的概念有些類似，即不斷重復的最小單元（此處為菱形）。

好叭，除了擴展元胞，還有一個現象就是摩爾紋，也就是上述明明暗暗的波紋。

這種狀態下，兩層石墨烯之間的電子（就是那個可憐兮兮沒有成鍵的電子）就處在一種全新的狀態了。

這個狀態大概是什麼樣子的呢0.0？曹原給了一張圖：

接著，曹原的團隊通過靜電門技術連續改變石墨烯中的載流子濃度，發現了兩個與非常規超導體的相似點。

【相似點一：莫特絕緣體】

在講這個相似點之前先回顧一下之前說過的超導體分類：常規超導體&非常規超導體。前面還提到了一個能帶理論，它就是一個能解釋常規超導體但是不能解釋非常規超導體的常規理論。它的觀點之一就是能帶全滿的話不導電， 能帶半滿就導電 。這個填滿能帶的東西（應該）就是載流子。假設能帶全滿的時候的載流子濃度是ns，那麼半滿就是ns/2.

然後看下圖：

從n從大到小（由兩邊向中間）這段連續變化的過程中，我們可以發現在ns區域，也就是能帶全滿填充的時候，電導為零，也就是絕緣，這是符合能帶理論的；但是在ns/2區域，能帶半滿填充的時候，又出現了一段絕緣的平台，這就是不符合能帶理論的（如前所述，按能帶理論，能帶半滿是可以導電的）， 不符合能帶理論的絕緣體被稱為莫特絕緣體 。 莫特絕緣體又是高溫超導材料的 母體材料 ，於是這就構成了魔角雙層石墨烯與高溫超導體的第一個相似點。

曹原就覺得，那既然你和高溫超導體這么像，那我就像對高溫超導體一樣對待你就好了嘛。於是他就繼續調節載流子濃度、降溫，從而使材料產生了超導電性。這也是魔角雙層石墨烯與高溫超導體的第二個相似點。

【相似點二：超導電性】

為什麼相似呢？按照我們讀出來的內容，歸納了兩個原因。

| 原因一 |

莫特絕緣態的雙層石墨烯 不同載流子濃度下出現的 拋物線型超導區 和 高溫超導體的電子態相圖如出一轍。

| 原因二 |

超導態雙層石墨烯和莫特絕緣體都受溫度和磁場影響。

這三幅圖證明了超導態雙層石墨烯超導性受溫度和磁場影響。

d圖，外加磁場大小為0T。看紅線對應的部分，隨著溫度的升高，依次經歷了黃色的SC（超導態）和藍色的Mott（莫特絕緣態），可見超導態雙層石墨烯超導性受溫度影響。e圖，外加磁場大小為0.4T。看紅線對應的部分，只有Mott（莫特絕緣態），SC（超導態）消失。f圖，外加磁場大小為8T。看紅線對應的部分，連Mott（莫特絕緣態）都消失了，完全恢復金屬導電性。可見超導態雙層石墨烯超導性受磁場影響。而一個純正的莫特絕緣體，它也是溫度升高會恢復金屬態，同時4T以上的磁場逐漸恢復導電性，直到8T磁場下完全恢復正常金屬導電性的。所以二者是非常相似的。

綜上，從母體的莫特絕緣態，到二維超導態，魔角石墨烯都神奇地模擬了高溫超導中的物理。但是曹原一開始並不是為了研究高溫超導而扭轉石墨烯的，他只是很好奇扭轉兩層石墨烯之後會發生什麼。結果竟然發生了這么神奇的事，連發兩篇nature。

四、意義與質疑

意義：第一個純碳基2D超導體&提供高溫超導機理較簡單的研究平台

銅氧化物超導這類非常規超導是最有可能實現室溫超導的，目前已經實現零下140度左右實現超導，但銅氧化物超導的系統又很復雜，且實驗條件需要花費大量的勞力物力，所以很難進行有效的下一步研究，所以銅氧化物為代表的高溫超導體淪為難以解釋的非常規超導體。然而——

Our results also establish MA-TBG as thefirst purely carbon-based 2D superconctor and, more importantly, as a relatively simple and highly tunable platform that enables thorough investigation of strongly correlated physics （強關聯體系，也就是解釋高溫超導機理的關鍵）.

意義：雖低溫但低載流子濃度，可能帶來高溫超導新突破。

雖然其超導溫度僅有1.7 K，尚且低於金屬摻雜的少層石墨烯。然而對應的載流子濃度很低(-1.4×10^12 cm-2)，在MoS2體系涉及的載流子濃度為7×10^13 cm-2，高溫超導體中將更高幾個數量級。如此低的載流子濃度尚且能夠實現超導，已屬不易。別人學10000年考了100分，雙層石墨烯學100年考了20分，還是很有潛力的。

質疑：不一定是莫特絕緣體的狀態，雙層石墨烯超導體和非常規高溫超導體的超導機制不一定相同。

諾貝爾大佬斯坦福大學的物理學家Robert Laughlin 認為，「目前還不清楚是否在銅氧化物超導體中出現的所有行為都會發生在石墨烯超導體中，所以新的相關實驗需要開展，才能獲得大家的認可。」也就是說，本來曹原團隊的想法是，銅氧化物之類的高溫超導體非常難研究（需要很極端的實驗條件，例如很強的磁場，才能展開研究），但是雙層石墨烯驚人地展現出和高溫超導體非常相似的性質，似乎隱隱地告訴世人，我和正經的高溫超導體有同樣的超導機理，研究我只要電場就好啦，比銅氧化物方便多了呢。然而，有物理學家表示，用別的已有理論完全可以解釋雙層石墨烯的這個現象，表明不一定是和高溫超導一樣的機理。

所以，曹原表示，即使最後證明二者的機制不一樣，「在文章中我們比較了旋轉雙層石墨烯的超導態中的轉變溫度和載流子濃度的關系，發現旋轉雙層石墨烯中的超導配對強度甚至比銅氧化物、重費密子等非常規超導體更大，更接近於BEC-BCS轉變線(和近年非常火熱的部分鐵基超導相近)。所以即使它的超導機理和銅氧化物不同，研究為什麼在看似如此簡單的石墨烯系統中會存在這樣強的超導配對也是在理論上非常有意思、獨特的。」

物理學家們已經在黑暗中徘徊了30年，試圖解開銅氧化物超導的秘密，我們許多人認為，燈才剛剛打開。

四、參考資料

[1] Cao, Y. et al. Naturehttp://dx.doi.org/10.1038/nature26160 (2018).

[2] Cao, Y. et al.Nature http://dx.doi.org/10.1038/nature26154 (2018).

[3] E.J. Mele,Novel electronic states seen in graphene, Nature 2018.

[4] 一篇你能搜到的中文解讀

[5] 另一篇你能搜到的中文解讀

[6] 依然是一篇你能搜到的中文解讀

③ 石墨烯超導什麼意義呢 石墨烯超導有什麼意義

1、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。

2、如果簡單如石墨烯的超導性也是由相同機制引起的，那石墨烯也許可以成為理解高溫超導現象的「羅塞塔石碑」（Rosetta stone）。對高溫超導現象的理解反過來也能幫助研究人員創造出能在接近室溫的條件下超導的材料，從而徹底革新諸多現代技術領域，包括交通和計算。

④ 為什莫不能用石墨來做超導材料石墨本來就有自由電子，而且還有電子層呀

大部分超導材料在常溫下並不是良好的導體，而只是半導體。在低溫和常溫下，物質的導電特性是完全不同的。也就是說，不能用常溫下石墨是良導體這個結論來說在低溫下石墨也是良導體。

⑤ 曹原發現的石墨烯超導有什麼意義

曹原發現的石墨烯超導具有重要的科學研究意義。曹原及其研究團隊通過將兩片疊放的石墨烯交錯至一個特殊的「魔角」，並將整體冷卻到略高於絕對零度的溫度，就能創造這一奇觀。這種角度的旋轉從根本上改變了雙層石墨烯的性質：首先將其變為絕緣體，然後施加更強的電場，將其變為超導體。

如果簡單如石墨烯的超導性也是由相同機制引起的，那石墨烯也許可以成為理解高溫超導現象的「羅塞塔石碑」（Rosetta stone）。對高溫超導現象的理解反過來也能幫助研究人員創造出能在接近室溫的條件下超導的材料，從而徹底革新諸多現代技術領域，包括交通和計算。

⑥ 談談石墨烯超導體和合金超導體的區別。

石墨烯中的電子沒有質量，電子的運動速度超過了在其他金屬單體或是半導體中的運動速度，能夠達到光速的1/300，正因如此，石墨烯擁有超強的導電性。
表觀上熱損耗完全不同，微觀上自由電子的相對數量不同。
說白了，電阻不一樣。
完美的石墨烯是ballistic導體，與超導的區別在於超導體還有Meissner效應，即超導體內部沒有磁場。另外，電子在ballistic導體和超導體上流動均不產生熱量，然而在斷開外電壓後，超導體內的電流也會繼續流動，而石墨烯內的電流則不會。

⑦ 石墨烯超導什麼意義 石墨烯超導的意義何在

1、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。

2、石墨烯（Graphene）是一種以sp2雜化連接的碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結構的新材料。石墨烯具有優異的光學、電學、力學特性，在材料學、微納加工、能源、生物醫學和葯物傳遞等方面具有重要的應用前景，被認為是一種未來革命性的材料。英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，用微機械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯，因此共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。石墨烯常見的粉體生產的方法為機械剝離法、氧化還原法、SiC外延生長法，薄膜生產方法為化學氣相沉積法（CVD）。

⑧ 曹原發現石墨烯超導有什麼深刻意義

曹原發現石墨烯超導深刻意義為：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。

之前雖然已有日本科學家將鈣原子和石墨烯結合在超低溫下實現過超導效應，但是相比曹原這一次只是在石墨烯材料內部就得出了這樣的結論，其重要程度完全無法相比。因為曹原的結果中，將兩層石墨烯超導體經過電場和角度微調，卻變成了絕緣體！這一不可思議的變化意味著曹原的成果極有可能提供一個全新的思路和平台去解決超導問題的起源！

⑨ 石墨烯的常溫超導材料被發現，會讓超高壓輸電失去意義嗎

石墨烯在超低溫下可以實現超導性能，但臨界溫度接近絕對零度，還無法實現常溫超導；而且石墨烯製取技術不完善，生產成本高，未來很長一段時間內，還得以超高壓輸電為主。

常溫超導體指的是在0℃左右，實現超導性能的材料；目前超導溫度最高的是銅氧超導體材料，臨界溫度在135K附近，在高壓下臨界溫度為164K（-109℃），距離常溫超導體還差很遠。

而且石墨烯的制備技術不成熟，生產成本很高，就算關於石墨烯的常溫超導材料被發現，也不是一時半會能普及的，可能需要幾十年甚至更長的時間，所以我國的超高壓輸電系統，在未來很長一段時間內會起著重要作用。

⑩ 天才少年發現石墨烯超導，一旦應用在輸電，會不會超越特高壓工程

中國特高壓輸電已居世界前列，這是人所共知的事實。天賦異稟的男孩發現石墨烯常溫超導，是否會導致國內在特高壓輸電方面的巨額投資缺口?石墨烯是由蜂窩晶格的碳原子構成的二維碳納米材料，它具有優異的光學、機械和電學性能，在高強度材料中，未來的超導將有極其廣泛的應用，雖然它具有優異的性能，到目前為止，由於生產過程，以及實際應用和工業發展都充滿了渺茫。畢竟，隨著室溫超導材料的普及，所有的電氣化線路都沒有電阻，所以增加的損耗電壓是沒有用的。

在絕對溫標中，測量單位為K，絕對零度K等於-273.15°C!在此基礎上,我們可以計算出1.7 k轉換是-271.4℃,我們知道了南極的最低氣溫只有-80.6℃,所以它是不可能達到“魔角”實驗的溫度在自然條件,所以是不可能使用石墨烯超導電力傳輸。