在絕緣與超導間自由切換的石墨烯

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2023年七月,「超導體」報導引起媒體大量關注,Google搜尋熱度暴增。超導體對科技發展與環保平衡至關重要,無電阻傳輸能夠大幅提高資訊處理速率,且大幅減少對環境的汙染。石墨稀擁有高導電性、高彈性和硬度等特點,身為近代最夢幻的材料,石墨稀也具備有超導特性。雙層石墨稀的1.1°「魔法夾角」堆疊可展現超導與絕緣特性,成為絕佳的電子開關。雖此狀態僅在極低溫出現,但這項發現仍有助於科學家理解超導機制。全球科學家們持續致力於克服障礙,期待實現無損耗能源使用,使科技與環保不再是矛盾。

撰文|黃鼎鈞

爆紅的超導體為何如此重要?

2023年七月,關於「超導體」的報導在各大媒體中引起了極大的關注,相關關鍵字在Google搜尋中的查詢次數更是高於平常百倍之多。先前曾多次介紹夢幻材料石墨稀,它具有高導電性、高彈性和高硬度等特性。難道石墨稀與超導體也有關聯嗎?沒錯!石墨烯確實可以呈現出超導特性,這已經被多個研究團隊所證實,目前也仍在持續被研究當中。

圖1:關鍵字「超導體」搜尋熱度,七月底、八月初迅速竄升|來源:google trendancy

首先,我們來瞭解一下超導體對於人類的重要性。從十八世紀的工業革命到二十一世紀的量子革命,人類經歷了高度的科技發展,享受了前所未有的便利,同時也伴隨著對環境的破壞,引發了大自然的反擊,例如氣候變遷所帶來的災害。然而,我們是否只能在科技發展和環境保護之間做出選擇?為了找到兩者的平衡,綠色能源科技越來越受到科學家的重視,而「超導體」正是一個有望實現科技大幅進步,同時兼顧環境保護的解方。科技產品的運作需要電流的傳輸,然而物質中的電阻會導致電流的能量損耗,造成額外的能源浪費,進一步破壞環境。在超導體中,電流可以無阻礙地流動,也就是說,它的電阻幾乎是零。如果電子設備能夠以超導體來製造,不僅傳輸速度會大幅提升,同時也不會浪費能源,這將有助於推動科技發展,同時保護環境。

關於石墨烯的超導特性,這是由美國麻省理工學院物理系的Pablo Jarillo-Herrero研究團隊於2018年首次發現的。當兩層石墨烯相互堆疊時,雙層石墨烯會呈現兩種極端的電性,一種是絕緣體,另一種則是超導體。在絕緣體狀態下,電子完全被阻礙無法流動;而在超導體狀態下,電流可以毫無阻力地傳輸。透過施加電壓,可以使雙層石墨烯在兩種狀態之間切換,這使其成為電子元件的出色開關,關閉的時候不會有任何漏電流,開啟的時候則電流可以完全通過,就像水龍頭一樣。對比超導體,傳統的電子元件就像壞掉的水龍頭,閥門關閉時卻仍在漏水,打開時只有涓涓細流。

圖2:石墨烯呈現超導狀態示意圖|來源:Microsoft Bing AI、Leonardo AI製作

 

魔法的1.1°旋轉角

要產生這樣特殊的性質,石墨稀的堆疊可是有「眉角」的,可不是隨便將兩層石墨稀堆在一起就能產生,而且堆得太整齊也不行。科學家發現兩層石墨稀必須剛好相差1.1°的夾角,才能產生這樣特殊的性質。至於為什麼是1.1°的旋轉?目前科學家還在深入瞭解中,所以這個角度被稱為魔法夾度 (Magic angle),而這種堆疊方式被稱為「摩爾結構」(Moiré configuration),用來描述當兩個具有相似圖案的物體在特定角度下疊加,它們的紋理或線條會交錯和重疊,形成全新的圖案。這種效果在視覺上可能呈現出波紋、扭曲或額外的幾何圖案。因此,當兩層石墨烯以1.1°旋轉角度堆疊時,我們稱之為「摩爾超晶格」(Moiré superlattice)。

圖3:石墨烯以摩爾結構堆疊示意圖|來源:Wikimedia Commons

然而,精確地以1.1°的角度堆疊石墨烯不是一件簡單的事情。由於石墨烯只有一層原子層的大小,無法通過一般光學顯微鏡進行觀察。為了實現這樣的堆疊,Pablo Jarillo-Herrero研究團隊採用了一種巧妙的方法。他們首先將一片石墨烯切割成兩半,然後使用聚合物將其中一半黏合,確保兩片石墨烯處於平行狀態。然後,他們使用旋轉臺輕微旋轉其中一片1.1°,再將其放置到另一半的上方。儘管要達到雙層石墨稀的超導狀態,還需要接近絕對零度的極低溫條件令人遺憾,但這項發現仍然有助於讓我們對於超導狀態的產生機制有更深入的瞭解。

圖4:雙層石墨烯堆疊示意圖|來源:作者提供

雖然超導體目前仍然面臨操作溫度極低或高壓環境的限制,但全球的科學家們仍在努力不懈。他們希望進一步理解超導現象的基本理論,並克服製備超導體材料所遇到的障礙。也許有一天,我們將不再需要建造各種發電廠,僅需一個發電廠,電力就能無損耗地傳遞到世界各地;此外,手機不再需要充電,電池不需更換,電動車也不再煩惱充電站的問題,甚至加油站也將成為過去。如此一來,我們就能同時享受科技帶來的便利,並保護我們所珍愛的地球,實現真正的永續發展!

二維材料的堆疊常產生令人意想不到的物理特性。有興趣的讀者,歡迎閱讀《石墨烯與它的好朋友——六角硼氮》,一同探討「相互堆疊」時所激發出的精采火花!

 


參考文獻

  1. Cao, Y., Fatemi, V., Demir, A., Fang, S., Tomarken, S., Luo, J., Sanchez-Yamagishi, J., Watanabe, K., Taniguchi, T., Kaxiras, E., Ashoori, R. C., & Jarillo-Herrero, P. (2018). Correlated insulator behaviour at half-filling in magic-angle graphene superlattices. Nature, 556(7699), 80–84.

 


📖 延伸閱讀:《石墨烯與它的好朋友——六角硼氮》、《市面上的石墨烯產品,真的有那麼厲害嗎?

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