石墨超导技术怎么样

① 未来科技新高度——超导材料石墨烯

石墨是由超薄的纯碳片堆叠而成。

2004 年，曼彻斯特大学的两名科学家进行了一项看似简单的实验， 他们把[胶带]粘在石墨或云母上，然后剥掉他。石墨片会脱落胶带上。然后把胶带对折，然后再把它们分开。然后重复这个过程 10 或 20 次。每次，薄片分裂成越来越薄的薄片。最后，你的胶带上只剩下非常薄的薄片，把溶解胶带溶解成溶液 。这样就分离出单片石墨，这是一种难以置信的薄碳层，只有一个原子厚。

通过分离单层碳片，Geim 和 Novoselov 发现了一种名为石墨烯的全新材料，现在人们认为这种材料是 地球上最强、最轻和最导电的物质 。

2010 年，海姆和诺沃肖洛夫因发现石墨烯而分享 诺贝尔物理学奖 ， 世界各地的研究人员开始呼吁如何使用这种非凡的“超级材料”来制造更强大、更持久的电池、更快的微芯片、柔性电路、可植入的生物传感器和更多。十年后，石墨烯尚未兑现其大肆宣传的承诺，但业内人士相信，我们最终将在未来几年内看到使用石墨烯技术的智能手机、电动 汽车 和传感器。

如果你能放大到足够近，你会看到一片石墨烯看起来像一个原子级的蜂窝。单个碳原子以类似于铁丝网的六边形图案排列。石墨烯片中的每个碳原子都与其他三个碳元素共价键合，这使材料具有令人难以置信的强度。

为什么石墨烯的导电性这么好？同样，由于这些碳原子的键合方式。每个碳原子的外壳都有四个电子，但其中只有三个电子与其相邻的三个碳原子共享。剩下的电子被称为pi 电子，它可以在三维空间中自由移动，这使得它可以几乎没有阻力地在石墨烯片上传输电荷。事实上，在任何已知物质中，石墨烯是室温下导电速度最快的导体。

多年来，消费者一直热切期待基于石墨烯的电池。我们所有小工具中的锂离子电池充电速度都相对较慢，很快就会流失电量并在一定次数的循环后烧坏。这是因为为锂离子电池供电的电化学过程会产生大量热量。

但由于石墨烯是世界上最高效的电导体，因此在充电或放电时产生的热量要少得多。基于石墨烯的电池有望实现比锂离子电池快 5 倍的充电速度、3 倍的电池寿命和 5 倍的更换周期。

三星和华为子公司正在积极开发用于智能手机和其他设备的石墨烯电池，但最早上市时间是 2021 年 。至于电动 汽车 中的石墨烯电池——这可能会大大增加它们的行驶半径——这还需要几年的时间。整个行业都建立在锂离子技术之上，不会一夜之间改变。

生物传感器是一个重大领域。想象一个非常薄且灵活的芯片，它可以注入血液中以监测胰岛素水平或血压等实时 健康 数据。或者一个石墨烯接口，它来回向大脑发送信号，以检测即将到来的癫痫发作，甚至预防它。薄的、可拉伸的传感器也可以佩戴在皮肤上或编织到衣服的织物中。

光子学是另一个已经结合石墨烯的领域。通过将石墨烯集成到光敏芯片中，相机和其他传感器可以大大提高对可见和不可见光谱中最微弱光波的灵敏度。这不仅会提高相机和望远镜的图像质量，还会提高医学图像的质量。

过滤是石墨烯的另一个有前途的应用。用石墨烯聚合物制成的简单水净化过滤器可以与饮用水中的有机和无机污染物结合。

让我们迎接下一个 科技 大爆发吧。

② 大一 | 解读上两次Nature的超导“魔角”石墨烯

一个名叫曹原的在MIT读博的21岁男孩以第一作者一天发了两篇Nature，曾经在中科大少年班。知乎上很多人说，“和曹原是初中同学这件事，我可以吹一辈子！”“和他是本科同学，我们的存在就是为了衬托他的优秀。”“你会发现人与人之间的差距和人与狗的差距还要大。”

然后前两天一个理科选修课的作业是pre一篇Nature/Science上的文章，我们就选了一篇Nature的编辑觉得曹原这两篇文章非常有意思遂为他又写了一篇News&Views版面的文章：Novel electronic states seen in graphene.

毕竟是做了很多准备而且觉得有一些科普还是不很直白吧，遂结合文章和查到的一些其他科普文整理了一下我们一群大一学生的“成果”，也算是对自己努力的纪念了（毕竟我是个文科专业的学生啊！完全非功利之心的纯粹努力啊！）。仅需高中理化基础即可！

一、超导体

（1）超导的发现

1911年，荷兰莱顿大学的H·卡茂林·昂内斯意外地发现，汞在-268.98℃（4.2K）时电阻消失。后来他又发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性，由于它的特殊导电性能，H·卡茂林·昂内斯称之为超导态。昂内斯由于他的这一发现获得了1913年诺贝尔奖。

（2）按解释的理论分类：

常规超导体 V.S 非常规超导体

如果超导的机理可以用常规理论解释，就是常规超导体，如果不能，就是非常规超导体。

（3）按材料达到超导的临界温度分类：

高温超导体 V.S 低温超导体

高温超导体是具有高临界转变温度（Tc）能在液 氮 温度条件下工作的超导材料。成分多是以铜为主要元素的多元金属氧化物，氧含量不确定，具有陶瓷性质，具有明显的层状二维结构。

低温超导体具有低临界转变温度（Tc＜30K），在液 氦 温度条件下工作的超导材料。分为金属、合金和化合物。具有实用价值的低温超导金属是Nb( 铌 )。

（4）高温超导，目前包括铜氧化物高温超导和铁基高温超导两大类材料

但它们都是 非常规 高温超导材料——并不能用常规理论解释—— 高温超导机理至今仍然是凝聚态物理领域悬而未决的重大谜题之一 （涉及最基本的物理问题：在多体关联电子体系中的集体量子凝聚行为，目前解释这个现象的凝聚态物理理论框架，尚未完全建立）。

（5）应用：

1、军事上即聚能武器

2、超导发电机。几乎没有能量损失，减小体积，提高发电效率。这在国防、科研、工业上具有极大的意义。

3、超导电磁推进系统，高航速、低消耗的舰艇。

4、医用超导磁体。

5、超导计算机。

二、石墨烯

石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。可以理解为单层石墨啦。

每一个碳原子都有四个价电子，其中三个通过sp²杂化轨道和别的碳原子联结成键，剩下一个p轨道的电子在与该层石墨烯垂直的轨道上“运动”。（它并不在任何“一层石墨”上，可以自由移动，遂石墨能导电。）

三、关于研究逻辑

之所以叫“逻辑”，是因为本文的理论我们都没怎么看懂。（但这并不意味着没有收获或意义。）

总逻辑线：按“魔角”角度旋转的双层石墨烯中发现了新型电子状态，通过一顿操作成功模拟了高温超导中的物理状态。

具体来说：

首先，按魔角（magic angle）旋转两层石墨烯（方法：拉堆技术tear and stack technique）。

于是改变了两层石墨烯的狄拉克锥能带杂化效果，即，在原本完美的狄拉克锥上打开一个 能隙 并使狄拉克点上的 费米速度 被重整化。

这里的能带的杂化，我们的理解和轨道杂化是有相通之处的：石墨烯的每个碳原子有4个价电子，其中3个以sp2杂化轨道成键和另外3个碳原子相连，剩下一个电子在与石墨烯平面垂直的p轨道，两层石墨烯经过旋转，那么两层石墨烯之间的电子轨道还会有神奇的杂化，轨道的杂化带来能量的杂化，用“图”来表示就是能带的杂化。

能带杂化的变化效果，也就是随着旋转角度的改变，原本呈锥形（和狄拉克方程有关）的能带图形改变了。

关注到旋转两层石墨烯的另一效果：改变“费米速度”。虽然并不知道费米速度是什么，但总之让费米速度变成零的角度就是“魔角”。

按照魔角旋转，会产生两个现象：扩展元胞&摩尔纹。

此处的元胞和晶胞的概念有些类似，即不断重复的最小单元（此处为菱形）。

好叭，除了扩展元胞，还有一个现象就是摩尔纹，也就是上述明明暗暗的波纹。

这种状态下，两层石墨烯之间的电子（就是那个可怜兮兮没有成键的电子）就处在一种全新的状态了。

这个状态大概是什么样子的呢0.0？曹原给了一张图：

接着，曹原的团队通过静电门技术连续改变石墨烯中的载流子浓度，发现了两个与非常规超导体的相似点。

【相似点一：莫特绝缘体】

在讲这个相似点之前先回顾一下之前说过的超导体分类：常规超导体&非常规超导体。前面还提到了一个能带理论，它就是一个能解释常规超导体但是不能解释非常规超导体的常规理论。它的观点之一就是能带全满的话不导电， 能带半满就导电 。这个填满能带的东西（应该）就是载流子。假设能带全满的时候的载流子浓度是ns，那么半满就是ns/2.

然后看下图：

从n从大到小（由两边向中间）这段连续变化的过程中，我们可以发现在ns区域，也就是能带全满填充的时候，电导为零，也就是绝缘，这是符合能带理论的；但是在ns/2区域，能带半满填充的时候，又出现了一段绝缘的平台，这就是不符合能带理论的（如前所述，按能带理论，能带半满是可以导电的）， 不符合能带理论的绝缘体被称为莫特绝缘体 。 莫特绝缘体又是高温超导材料的 母体材料 ，于是这就构成了魔角双层石墨烯与高温超导体的第一个相似点。

曹原就觉得，那既然你和高温超导体这么像，那我就像对高温超导体一样对待你就好了嘛。于是他就继续调节载流子浓度、降温，从而使材料产生了超导电性。这也是魔角双层石墨烯与高温超导体的第二个相似点。

【相似点二：超导电性】

为什么相似呢？按照我们读出来的内容，归纳了两个原因。

| 原因一 |

莫特绝缘态的双层石墨烯 不同载流子浓度下出现的 抛物线型超导区 和 高温超导体的电子态相图如出一辙。

| 原因二 |

超导态双层石墨烯和莫特绝缘体都受温度和磁场影响。

这三幅图证明了超导态双层石墨烯超导性受温度和磁场影响。

d图，外加磁场大小为0T。看红线对应的部分，随着温度的升高，依次经历了黄色的SC（超导态）和蓝色的Mott（莫特绝缘态），可见超导态双层石墨烯超导性受温度影响。e图，外加磁场大小为0.4T。看红线对应的部分，只有Mott（莫特绝缘态），SC（超导态）消失。f图，外加磁场大小为8T。看红线对应的部分，连Mott（莫特绝缘态）都消失了，完全恢复金属导电性。可见超导态双层石墨烯超导性受磁场影响。而一个纯正的莫特绝缘体，它也是温度升高会恢复金属态，同时4T以上的磁场逐渐恢复导电性，直到8T磁场下完全恢复正常金属导电性的。所以二者是非常相似的。

综上，从母体的莫特绝缘态，到二维超导态，魔角石墨烯都神奇地模拟了高温超导中的物理。但是曹原一开始并不是为了研究高温超导而扭转石墨烯的，他只是很好奇扭转两层石墨烯之后会发生什么。结果竟然发生了这么神奇的事，连发两篇nature。

四、意义与质疑

意义：第一个纯碳基2D超导体&提供高温超导机理较简单的研究平台

铜氧化物超导这类非常规超导是最有可能实现室温超导的，目前已经实现零下140度左右实现超导，但铜氧化物超导的系统又很复杂，且实验条件需要花费大量的劳力物力，所以很难进行有效的下一步研究，所以铜氧化物为代表的高温超导体沦为难以解释的非常规超导体。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 （强关联体系，也就是解释高温超导机理的关键）.

意义：虽低温但低载流子浓度，可能带来高温超导新突破。

虽然其超导温度仅有1.7 K，尚且低于金属掺杂的少层石墨烯。然而对应的载流子浓度很低(-1.4×10^12 cm-2)，在MoS2体系涉及的载流子浓度为7×10^13 cm-2，高温超导体中将更高几个数量级。如此低的载流子浓度尚且能够实现超导，已属不易。别人学10000年考了100分，双层石墨烯学100年考了20分，还是很有潜力的。

质疑：不一定是莫特绝缘体的状态，双层石墨烯超导体和非常规高温超导体的超导机制不一定相同。

诺贝尔大佬斯坦福大学的物理学家Robert Laughlin 认为，“目前还不清楚是否在铜氧化物超导体中出现的所有行为都会发生在石墨烯超导体中，所以新的相关实验需要开展，才能获得大家的认可。”也就是说，本来曹原团队的想法是，铜氧化物之类的高温超导体非常难研究（需要很极端的实验条件，例如很强的磁场，才能展开研究），但是双层石墨烯惊人地展现出和高温超导体非常相似的性质，似乎隐隐地告诉世人，我和正经的高温超导体有同样的超导机理，研究我只要电场就好啦，比铜氧化物方便多了呢。然而，有物理学家表示，用别的已有理论完全可以解释双层石墨烯的这个现象，表明不一定是和高温超导一样的机理。

所以，曹原表示，即使最后证明二者的机制不一样，“在文章中我们比较了旋转双层石墨烯的超导态中的转变温度和载流子浓度的关系，发现旋转双层石墨烯中的超导配对强度甚至比铜氧化物、重费密子等非常规超导体更大，更接近于BEC-BCS转变线(和近年非常火热的部分铁基超导相近)。所以即使它的超导机理和铜氧化物不同，研究为什么在看似如此简单的石墨烯系统中会存在这样强的超导配对也是在理论上非常有意思、独特的。”

物理学家们已经在黑暗中徘徊了30年，试图解开铜氧化物超导的秘密，我们许多人认为，灯才刚刚打开。

四、参考资料

[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读

[5] 另一篇你能搜到的中文解读

[6] 依然是一篇你能搜到的中文解读

③ 石墨烯超导什么意义呢 石墨烯超导有什么意义

1、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。

2、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。

④ 为什莫不能用石墨来做超导材料石墨本来就有自由电子，而且还有电子层呀

大部分超导材料在常温下并不是良好的导体，而只是半导体。在低温和常温下，物质的导电特性是完全不同的。也就是说，不能用常温下石墨是良导体这个结论来说在低温下石墨也是良导体。

⑤ 曹原发现的石墨烯超导有什么意义

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。

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。

⑥ 谈谈石墨烯超导体和合金超导体的区别。

石墨烯中的电子没有质量，电子的运动速度超过了在其他金属单体或是半导体中的运动速度，能够达到光速的1/300，正因如此，石墨烯拥有超强的导电性。
表观上热损耗完全不同，微观上自由电子的相对数量不同。
说白了，电阻不一样。
完美的石墨烯是ballistic导体，与超导的区别在于超导体还有Meissner效应，即超导体内部没有磁场。另外，电子在ballistic导体和超导体上流动均不产生热量，然而在断开外电压后，超导体内的电流也会继续流动，而石墨烯内的电流则不会。

⑦ 石墨烯超导什么意义 石墨烯超导的意义何在

1、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。

2、石墨烯（Graphene）是一种以sp2杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯，因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯常见的粉体生产的方法为机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法，薄膜生产方法为化学气相沉积法（CVD）。

⑧ 曹原发现石墨烯超导有什么深刻意义

曹原发现石墨烯超导深刻意义为：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。

之前虽然已有日本科学家将钙原子和石墨烯结合在超低温下实现过超导效应，但是相比曹原这一次只是在石墨烯材料内部就得出了这样的结论，其重要程度完全无法相比。因为曹原的结果中，将两层石墨烯超导体经过电场和角度微调，却变成了绝缘体！这一不可思议的变化意味着曹原的成果极有可能提供一个全新的思路和平台去解决超导问题的起源！

⑨ 石墨烯的常温超导材料被发现，会让超高压输电失去意义吗

石墨烯在超低温下可以实现超导性能，但临界温度接近绝对零度，还无法实现常温超导；而且石墨烯制取技术不完善，生产成本高，未来很长一段时间内，还得以超高压输电为主。

常温超导体指的是在0℃左右，实现超导性能的材料；目前超导温度最高的是铜氧超导体材料，临界温度在135K附近，在高压下临界温度为164K（-109℃），距离常温超导体还差很远。

而且石墨烯的制备技术不成熟，生产成本很高，就算关于石墨烯的常温超导材料被发现，也不是一时半会能普及的，可能需要几十年甚至更长的时间，所以我国的超高压输电系统，在未来很长一段时间内会起着重要作用。

⑩ 天才少年发现石墨烯超导，一旦应用在输电，会不会超越特高压工程

中国特高压输电已居世界前列，这是人所共知的事实。天赋异禀的男孩发现石墨烯常温超导，是否会导致国内在特高压输电方面的巨额投资缺口?石墨烯是由蜂窝晶格的碳原子构成的二维碳纳米材料，它具有优异的光学、机械和电学性能，在高强度材料中，未来的超导将有极其广泛的应用，虽然它具有优异的性能，到目前为止，由于生产过程，以及实际应用和工业发展都充满了渺茫。毕竟，随着室温超导材料的普及，所有的电气化线路都没有电阻，所以增加的损耗电压是没有用的。

在绝对温标中，测量单位为K，绝对零度K等于-273.15°C!在此基础上,我们可以计算出1.7 k转换是-271.4℃,我们知道了南极的最低气温只有-80.6℃,所以它是不可能达到“魔角”实验的温度在自然条件,所以是不可能使用石墨烯超导电力传输。