您的位置:首页 > 探索看点 > 正文

发现当石墨烯扭转角小于0.5度时,光响应消失,表现出优异性能

2020/8/1 14:27:33 来源:原创 浏览:

一种由两层单原子厚度的碳层组成材料,因其耐人寻味的导电特性而吸引了世界各地物理学家的注意。德克萨斯大学达拉斯分校自然科学与数学学院物理学助理教授张帆(音译)博士和物理学博士生王启月(音译)在与耶鲁大学自然光子学的夏凤年(音译)博士团队发表了一项研究,描述了扭曲双层石墨烯在中红外线下传导电流变化的能力。

石墨烯是一层以扁平蜂窝图案排列的碳原子,其中每个六边形由其顶点的六个碳原子组成。自2004年首次分离石墨烯以来,科学家们一直在深入研究石墨烯的独特性质,以期在先进的计算机、材料和设备中发挥潜在的作用。如果两张石墨烯堆叠在一起,其中一层被旋转,使得两层稍微不对准,那么产生的物理配置被称为扭曲的双层石墨烯,产生的电子性质与单独的单层或两个对准的层表现出的电子性质有很大不同。

人们对石墨烯的兴趣已经有大约15年了,研究单层很有趣,但如果有两层,它们的相互作用应该会呈现出更丰富、更有趣的物理。这就是为什么科学家们想要研究双层石墨烯系统的原因。当石墨烯层错位时,网格中会出现一种新的周期性设计,称为云纹图案。莫尔图案也是一个六边形,但它可以由10000多个碳原子组成。两层石墨烯错位的角度(扭转角度)对材料的电子性质至关重要,扭曲角越小,莫尔周期越大。

一个新的领域出现

德克萨斯大学奥斯汀分校物理学教授艾伦·麦克唐纳(Allan MacDonald)博士和拉菲·比斯特里策(Rafi Bistritzer)博士早在2011年就首次提出了特定扭曲角度对电子行为的不同寻常影响。当时,其科学家没怎么注意到这个理论,但现在它已经成为物理学中最热门的话题。在2011年的那项研究中,麦克唐纳和比斯特里策预测,电子的动能可以在错位1.1度所谓“魔角”的石墨烯双层中消失。

2018年麻省理工学院科学家证明了这一理论,麻省理工的科学家研究发现,将两个石墨烯层偏移1.1度产生了一种二维超导体,这种材料导电电流,没有电阻,也没有能量损失。在2019年发表在《科学进展》期刊上的一项研究中,张和王与俄亥俄州立大学的珍妮·刘博士团队一起展示了,当偏移0.93度时,扭曲的双层石墨烯既表现出超导状态,也表现出绝缘态:

从而显著扩大了魔术角度,在研究中既看到了绝缘态,也看到了超导态。这就是扭曲双层石墨烯研究成为如此热门领域的原因,可以操纵纯碳来实现超导,这一事实令人惊讶,也是史无前例的。在最新发表在《自然光子学》期刊上的研究中,张和在耶鲁大学的合作者研究了扭曲双层石墨烯是否以及如何与中红外光相互作用(人类看不到中红外光,但可以探测到它是热)。

新的研究发现

光和物质之间的相互作用在许多设备中都很有用,例如将阳光转化为电能,几乎每个物体都会发出红外线,包括人在内,这种光可以用设备探测到。研究着手确定中红外光可能如何影响扭曲双层石墨烯中电子的电导,包括根据莫尔图案的能带结构计算光吸收,这一概念决定了电子在材料中的量子力学运动方式。有标准的方法来计算规则晶体的能带结构和光吸收,但这是人造晶体,所以研究人员不得不想出一种新的方法。

利用德克萨斯先进计算中心的资源,这是德克萨斯大学奥斯汀分校的超级计算机设施,进行计算了能带结构,并展示了这种材料是如何吸收光线的。耶鲁大学的研究小组制造了设备,并进行了实验,显示中红外光响应(由于光线照射而增加的电导率)异常强烈,在1.8度的扭转角时最大,当扭转角小于0.5度时,强烈的光响应消失。理论结果不仅与实验结果很好地匹配,而且还指出了一种从根本上与莫尔图案周期有关的机制。

而且莫尔图案本身又与两个石墨烯层之间的扭角有关。扭曲角在决定扭曲双层石墨烯的性质时显然非常重要。但问题来了:能否将其应用于调整其他二维材料,以获得前所未有的功能?此外,能否将扭曲双层石墨烯的光响应和超导电性结合起来?例如,光线能否诱导或以某种方式调制超导电性?这将是非常有趣的研究。固态电子和电磁学项目经理乔·邱博士表示:这一新的突破可能会使基于石墨烯的新型高灵敏度红外探测器成为可能。

博科园|研究/来自:德克萨斯大学达拉斯分校

参考期刊《自然光子学》

DOI: 10.1038/s41566-020-0644-7

博科园|科学、科技、科研、科普

关注【博科园】看更多大美宇宙科学

看看网友怎么说

v25241512484:超导,伟大的发现

用户4034210041222:在神的世界,玉可以吸收能量,也可释放能量。三圣母的宝莲灯能释放巨大能量。

Bertue:石墨烯[捂脸][捂脸][捂脸]

用户61173379661:石墨烯与外星人电池、电容器的关联性也是一门课题。

用户4034210041222:这技术可用于UF0的隐身术,超导可控性可用于激光控制。其它二维材料的研究,建议研究玉,因为神很喜欢玉,女娲娘娘的宝莲灯就是玉做的。

用户110736761718:区区,一个小变角,就能上地球人,研究,好几年,人类的渺小,可想而知。

文章来源网络,版权归属原作者,未注明作者均因传阅太多无从查证。本站为公益性非盈利网站,在本网转载其他媒体稿件是为传播更多的信息,此类稿件不代表本网观点。如果本网转载的稿件涉及您的版权、名益权等问题,请尽快与我们联系,我们将第一时间处理!
  • 太阳光到达我们需要多久?

    我的问题是:太阳光到达地球和银河系中的其他行星需要多长时间?太阳光能传播到太阳系以外的地方吗?太阳比我们太阳系中的行星大多少?感谢您为此花费时间。从太阳表面发射出来的光大约需要8.3分钟才能到达地球。光到达我们太阳系中的行星(不是银河系,只是我们自己的星系)所需的时间,从水星的约3分钟到海王星的约4

  • 想移民火星吗?你得先过了宇宙射线这一关

    众所周知,我们生活的地球之所以成为生命的天堂,其中一个关键因素就是地球磁场的保护。地球磁场和大气层有效的屏蔽了来自太阳的高能粒子流以及宇宙射线对地球的破坏,为地球能够孕育出生命立下汗马功劳。地球磁场有效的屏蔽了来自太阳的高能粒子流吹袭,保护了地球生态但是我们的邻居火星就没有那么幸运了。在数十亿年前,

  • 多瓦太赫兹半导体“量子级联”激光器的突破

    提出了一种用于等离激元激光器的锁相方案,其中,行进的表面波将表面发射激光器阵列中的多个金属微腔纵向耦合。对于单模太赫兹激光器,证明了多瓦的发射,其中从激光阵列辐射的光子比在阵列中吸收的光子多,这些光子是光损耗。Lehigh的光子学和纳米电子中心的研究人员使用新的锁相技术,实现了太赫兹激光器的创纪录的

  • 美国火星车出现故障进入安全模式!温度突然降低,NASA正在施救

    编者按:刚刚发射不久的毅力号火星车突然出现局部温度偏低,NASA正在施救,火星车已经进入了安全模式。美国宇航局的说法是可能发生之后火星车的一部分轨道处于地球的阴影下,没有获得光照,导致了温度比预期的要低一些。宇宙印象|头条独家深度科普栏目第1410期根据美国宇航局最新消息,7月30日发射的毅力号火星

  • GitHub 开发者自制火星车,教程全面开源,网友:这太酷了

    未来,人类有可能在火星生活吗?不管你信不信,反正大家已经开始期待了。随着一系列火星升空,网友们也大开脑洞,提出了一系列问题:将来我们能不能在火星上建旅馆?火星上能不能采矿?在火星上可以开展哪些科学实验?等我们移民到火星,该种什么菜吃?而这一切答案都要依赖我们不断的对火星探索,这其中一个很重要的探索工

  • 看不见的暗物质,研究它有何用?科学家:或可以颠覆万有引力定律

    当我们开始对宇宙之中的引力、行星、气体云、黑洞等内容进行探索的时候,这其中有超过85%的物质本源对于人类来说是未知的,所以这并不是暗物质存在与否的问题,而是我们对宇宙认知阶段问题。就我们现在的科技水平而言,“暗物质”或许并不符合我们对于它命名的理解,因为这个称谓表明了它是一种物质,这意味着我们对它是

  • 看不见的物质,就真的不存在的吗?

    在宇宙中,有一种非常鬼魅的粒子中微子,由于它质量非常小,速度非常快,而且很少与其他物质发生相互反应,因此被称为宇宙中的“隐身人”。虽然我们肉眼无法看到中微子,但中微子却实实在在存在我们的宇宙之中。看不见的中微子在19世纪末时,科学家们在对放射性进行研究时,发现物质在β衰变过程中有一部分能量缺失了。我

  • 中国探月工程首席科学家欧阳自远:将火星改造成地球需要多长时间

    近日,我国首次火星探测任务“天问一号”探测器成功发射升空。在遥远的未来,火星会成为我们的第二个“家”吗?请听中国探月工程首席科学家、中国工程院院士欧阳自远在“书香上海”名家之作系列讲座活动中讲解人类改造火星的方法。以下是演讲的部分内容。『怎样再造一个地球』人类为什么对火星感兴趣?因为在太阳系中,火星

  • 一个存在已久的宇宙之谜解开!科学家发现死星发射出的混合辐射

    来源:欧洲航天局日前,包括欧洲航天局(ESA)整体高能太空望远镜(Integralhigh-energyspaceobservatory)在内的一组全球望远镜合作项目探测到一种独特的混合辐射,这种混合辐射来源于我们银河系中的一颗死星,这种现象以前从未在这种类型的恒星中出现过,这可能会解开一个存在了很

  • NASA刚刚确认:毅力号火星车出现技术故障,航天器已进入安全模式

    【ALENG自媒体】7月31日早间自媒体专稿,俗话说,好事多磨。对于美国宇航局(#NASA#)的毅力号火星车来说,这句话真是再贴切不过了。在接连3次推迟发射之后,毅力号在火星发射窗口关闭前的最后一刻顺利发射升空,但是刚刚传来的消息却再次让人揪心:美国宇航局确认,毅力号火星车目前遭遇技术难题,为确保火