烯合金導電嗎

超導體也被稱為超導材料，它一般是指在某一溫度下，電阻為零的導體。在實驗中，若導體電阻的測量值低於10的-25次方Ω，就可以認為電阻為零。超導體不僅具有零電阻的特性，另一個重要特徵是完全抗磁性。

超導體的應用可分為三類：強電應用、弱電應用和抗磁性應用。強電應用即大電流應用，包括超導發電、輸電和儲能；弱電應用即電子學應用，包括超導計算機、超導天線、超導微波器件等；抗磁性應用主要包括磁懸浮列車和熱核聚變反應堆等。

可以說，對超導體的研究在凝聚態物理領域甚至在整個物理學界中，都扮演著不可忽視的重要角色。

而超導體的發現則來源於 1911 年荷蘭科學家海克·卡末林·昂內斯的一次意外之舉，1908年，得益於低溫技術的發展，來自荷蘭萊頓大學萊頓低溫實驗室的昂內斯教授以極大的精力改善了實驗室裝備，透過採用壓縮氮氣節流預冷氫、氫壓縮節流預冷氦，最終用壓縮節流的方法將氦液化，獲得了4。2K的低溫。成功將最後一種“永久氣體”——氦氣液化。

氦氣製冷的氫液化系統

永久氣體是指臨界溫度小於-10℃的氣體（新標準改為-40℃）。如：空氣、氧、氮、氫、甲烷、一氧化碳等氣體，氦氣是最後一種被液化的永久氣體，因為液化氦氣需要非常低的溫度。（只要低於一定的溫度，就可以把氣體轉化為液體，同理，如果需要把液體轉化為氣體，就需要達到一定的高溫）

低溫研究的突破，為超導體的發現奠定了基礎。再接再厲的昂內斯在 1911 年發現，在4。3K低溫以下，鉑的電阻保持為一常數，而不是透過一極小值後再增大。

因此昂內斯認為純鉑的電阻應在液氦溫度下消失。為了驗證這種猜想，昂內斯選擇了更容易提純的汞作為實驗物件。首先，昂內斯將汞冷卻到零下40℃，使汞凝固成線狀；然後利用液氦將溫度降低至4。2K附近，並在汞線兩端施加電壓；當溫度稍低於4。2K時（相當於-269℃時，將開氏溫度轉變為攝氏度的公式就是開氏溫度-273，因為絕對零度是-273度），汞的電阻突然消失，表現出超導狀態，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，由於它的特殊導電效能，卡茂林-昂尼斯稱之為超導效應。

在他之後，人們開始把處於超導狀態的導體稱之為“超導體”。1933年，荷蘭的邁斯納和奧森菲爾德共同發現了超導體的另一個極為重要的性質，當金屬處在超導狀態時，這一超導體內的磁感應強度為零，卻把原來存在於體內的磁場排擠出去。對單晶錫球進行實驗發現：錫球過渡到超導態時，錫球周圍的磁場突然發生變化，磁力線似乎一下子被排斥到超導體之外去了，人們將這種現象稱之為“邁斯納效應”，這也就是我們在一開始說的半導體具有完全抗磁性。

由此，邁斯納效應和零電阻現象是實驗上判定一個材料是否為超導體的兩大要素。超導已有了一些重要的實際應用，如用於醫院裡的核磁共振成像、高能加速器、磁約束核聚變裝置等，但長期以來，制約超導體廣泛應用的一個主要瓶頸是，最佳超導體需要用液氦或液氮加以冷卻才能使用（往往冷卻至- 250 ℃）。

理論物理學家也在試圖解開超導體的奧秘，直到1957年，三位物理學家提出BCS理論，近自由電子模型為基礎，是在電子－聲子作用很弱的前提下，解釋常規超導體的超導電性的微觀理論，並因此獲得1972年諾貝爾物理學獎。

美國物理學家麥克米蘭還發現，BCS理論存在一個極限溫度大約39K，高於這個溫度後的任何物質，都不能形成超導態，這個發現被稱為麥克米蘭極限，這一極限打擊了人們的信心，因為如此低的溫度難以用於實際。

因為人類追求的是實現常溫超導，這樣低的溫度實在是難以在現實生活運用，難度太大，投入太高，目前科學家還在對高溫超導領域進行探究，高溫超導體並不是大多數人認為的幾百幾千的高溫，只是相對原來超導所需的超低溫高許多的溫度，不過也有零下幾百多攝氏度。而在人類所研究的超導中溫度算提高非常多，所以稱之為高溫超導體。

1987年，物理學家吳茂昆和朱經武在釔鋇銅氧系材料上把臨界超導溫度提高到90K以上，液氮的“溫度壁壘”（77K）也被突破了。

朱經武

這是史上第一次超越液態氮沸點“溫度壁壘”而將超導溫度從30K提升到90K（攝氏零下183度）以上，突破自1911年後七十多年的物理學研究瓶頸，為臨界溫度高於77K的材料稱為高溫超導體下了定義，此後，很多科學家開始嘗試打破麥克米蘭極限，努力尋求“高溫超導體”。

另外這項實驗採用較為廉價的液氮將極大地降低超導的應用成本，使得超導大規模應用和深入科學研究成為可能。

目前，材料達到超導狀態的最高溫度約為133K，而這種材料就是銅氧化物，於20世紀80年代被發現。但是，對於氧化物類的高溫超導體，由於微觀結構非常複雜，結構往往難以調整，很難進行微觀尺度的研究，所以難以發現其超導機制；而超高壓類的超導體，研究起來更難，也無法實現實際應用。

如果有哪種材料能夠在室溫下表現出超導電性，就可以為能量傳輸、醫用掃描器和交通領域帶來革命性的改變。

但是科學院一直沒有取得突破，直到這位來自中國的 22 歲少年—曹原的出現。曹原出生於1996年，是一位標準的90後，11歲的他曾用短短三年的時間，先後讀完小學六年級、初中和高中的課程，並且精通中英日三國語言。在2010年，才14歲的曹原就以669的高考成績被中科大少年班錄取。進入了“嚴濟慈物理英才班”。

曹原自小就特別喜歡搗鼓電子產品，深圳電子數碼產品豐富，給予了他廣闊的自由發揮的空間，他經常跑去深圳的電子市場，一待就是一整個下午。動手能力超強的他更是自小就喜歡搞實驗，曾因硝酸銀太貴，買了硝酸偷偷把母親的銀鐲子放進去，合成硝酸銀。

而中科大畢業之後，18歲的曹原進入了麻省理工攻讀博士進行更加深入的學習研究，去向更高的學術殿堂進發，在進入麻省理工之後，曹原一直從事石墨烯的研究。

石墨烯是一種以碳原子組成的六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜，是一種厚度只有一個碳原子大的二維材料。自石墨烯被發現以來，其諸多優異屬性一直令人印象深刻：比如它比鐵還要堅固，比銅的導電性還要好等等，還具有透光率、機械強度、穩定性等等性質，在各種不同的領域都發揮著效用，比如移動裝置、航空航天、新能源電池領域等。

石墨烯材料結構圖

在曹原之前，科學家就已經發現了石墨烯的超導現象，日本東北大學和東京大學的研究人員在2016年得到了一個使他們興奮的出人意料之外的結果。他們用兩片石墨烯構建了一個類似夾心餅乾似的結構，在石墨烯片中插入了一些鈣原子之後驚奇地發現，這個結構實現了超導性！也就是說，如此構建的材料可以實現電阻為零。

但是曹原的研究最大的意義在於：雙層石墨烯僅僅只是做了簡單的旋轉，就從絕緣體變成了超導體，這樣的發現可以說是非常不可思議的。

曹原團隊在研究之中發現，堆疊的雙層石墨烯中，電學行為對原子排列非常敏感，影響層間電子移動。對於物理學家而言，電學行為通常是由能量主導。而在這項研究中，單層石墨烯內原子間電子移動有關的能量在eV量級，而在層間的電子移動涉及的能量量級最多在幾百meV。要想解開這個謎題，對稱性是關鍵！所以曹原團隊嘗試將兩層石墨烯片疊加起來，兩層的晶格取向互相旋轉一個角度。

雙層石墨烯電效能與相對偏離角關係

當角度剛好是1。1°時。曹原團隊驚奇地發現了雙層石墨烯一個意想不到的行為：雙層石墨烯材料具有了超導特性。

也就是說當兩層石墨烯以一個“魔角”扭曲在一起時，只做了簡單的角度旋轉，就能在零電阻下導電。讓雙層石墨烯實現從絕緣體到超導體的轉變，並且在曹原的實驗中，石墨烯的微觀結構簡單，實驗各引數比如磁場、溫度、電流、角度等等都是可以精確控制的。

為什麼超導發生在1。1°這個神奇的角度？據曹原團隊的分析：基於能帶結構的緊束縛計算方法，這個神奇的“魔法角”可以根據雙層石墨烯能帶圖相對於角度之變化而計算出來。他們認為，當石墨烯的層與層之間扭轉一個角度時，其中的電子軌道將重新雜化而改變雜化能量。雜化能與電子動能互相抗衡和競爭的結果，造就了這個角度的“魔法”現象。也就是說，扭轉角θ逐漸增加，雜化能也增加，當費米速度從單層石墨烯中的費米速度0 = 106m/s降到 = 0時，所對應的那個扭轉角θ0，被稱為“魔法角”。這時候正好對應雜化能與電子動能相等，即2 = 0θ0，進一步求得魔角θ0 =√30 = 1。08°，大約是1。1°。在這樣的情況下，相應的能帶圖變成幾乎平坦的絕緣體能帶圖，即產生類似莫特絕緣體的現象，絕緣和超導可互相轉換，僅一步之遙。

儘管該系統仍然需要被冷卻至1。7K，但由於石墨烯結構簡單，製作的器件比銅氧化物更適合研究，如果能在石墨烯這樣結構簡單的材料中實現高溫超導，其應用價值和研究價值都非同一般，而且科學家們認為，與銅氧化物相比，石墨烯更有可能實現常溫超導。

可以說曹原團隊的這一發現給科學研究帶來了新的思路，對於理解高溫超導電性具有重要意義，也為高溫超導現象提供了研究平臺，是近幾十年來，超導研究領域最令人興奮的事。可以說解決了困擾世界物理學家的難題，也給已停滯多年的高溫超導研究帶來一些新的突破。

為了更好地理解銅氧化物，物理學家已經在黑暗之中已摸索了30年。而最新的發現，或許剛剛為物理學家點亮了一束光。

曹原的研究成果開創了物理學一個全新的研究領域，在凝聚態物理學界，曹原一下聲名鵲起。有望最終實現能源利用率與能源運輸效率的提高。

MIT 主頁近照

這項研究成果的含金量究竟有多高呢？他的兩篇關於石墨烯超導的研究論文直接在一天之內以連刊的方式登上了《自然》雜誌，當然最重要的是兩篇論文的第一作者都是他自己，才年僅22歲。一次性就佔據了兩個席位，這也是《Nature》建立149年以來達到如此成就的最年輕的科學家。

據說，當編委拿到兩篇研究論文時，相關人員等不及排版，先行在其網站上刊出，並配以第三篇文章作為評述。你就可以知道這兩篇論文的含金量有多少了。

大家可能不太瞭解《自然》雜誌的權威性，英國《自然》和美國《科學》雜誌是目前國際上最具代表性、知名度和權威性的綜合學術期刊，能在這兩刊發表論文，是全世界大多數科學家夢寐以求的夙願。

而且英國《自然》週刊釋出的2018年度影響世界的十大科學人物，曹原位居榜首。雖然每年《自然》十大人物的封面圖片都是一個巨大的數字“10”，但具體樣式和底紋都會融入當年的科技熱點進行設計。2018 年的封面圖片就結合了曹原的研究。

數字“10”中的“0”被處理成一個正六邊形，正如構成石墨烯的碳環結構。整個數字“10”由2層蜂窩狀的小小正六邊形填塗而成，分別為紅色和藍色，兩層之間有微小的夾角，恰好點出了賦予石墨烯超導能力的“魔角”。

雖然距離實現常溫超導還有很長的一段路要走，但是科學的每一次進步都是由前人一點一滴的積累而來，曹原的這項研究成果，為科學家研究高溫超導提供了一個全新的突破口，這就是這項成果的價值所在。

曹原從來不認為自己是天才，“畢竟我也是用四年時間讀完大學本科，只是曾經跳過了中學裡一些無趣的部分。”。他認為自己在石墨烯上，還有很多的事情要做，也讓我們期待他可以做出更多的成就。