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碳原子“编织”成的网,三维世界中的二维物体,石墨烯是什么?
2020-05-14           作者: 宇宙小百科

什么是石墨烯?有什么特殊的性质?有什么实际用途?石墨烯的性质是什么?石墨烯和量子力学之间的关系是什么。

碳原子“编织”成的网,三维世界中的二维物体,石墨烯是什么?

 

二维的碳

事实上,石墨烯的秘密隐藏在你使用的铅笔头里。只要你用铅笔画一条线,你就会从铅笔中释放出一些柔软的银灰色纯碳,它是由一些重叠的碳原子组成的。如果你能分离这些重叠的碳原子,得到一层只有一个原子厚的碳膜,你就能得到石墨烯。

上述工作也是曾经获得诺贝尔物理学奖的曼彻斯特大学的安德烈·吉姆和斯特拉·诺沃塞洛夫的工作。事实上,从事这项工作的人很多,但只有他们成功了,他们使用的方法非常直接和巧妙,即用胶带分离石墨的层状结构,最后得到一层石墨烯,它只由一层碳原子组成。它的厚度只有0.335nm,300万块这样的材料只有1mm厚。

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因为石墨烯是从石墨中获得的,具有烯烃的基本特征——碳原子间的双键,所以被称为石墨烯。现在让我们想象一下石墨烯是什么样子。它是微观世界中的单层网络。每个网是一个完美的六边形,每个关节是一个碳原子。因为这个网只有一个原子厚,它几乎没有高度,只有长度和宽度,也就是说,它是二维的,而不是三维的。简而言之,石墨烯是一种二维碳,是人类已知的最薄的材料。

高速运动的电子

在得到石墨烯之后,吉姆和诺沃塞洛夫急切地想知道石墨烯的性质。他们测量了石墨烯的电学行为。正如他们所料,石墨烯是导电的。他们开始对石墨烯做进一步的研究,所以事情变得越来越有趣了起来。在大多数情况下,电子在导体中的运动是无序的。它们碰撞并随机滚动,很像游戏机中的弹珠,因为导体晶格中的杂质阻碍了它们的前进。然而,吉姆和诺沃塞洛夫发现石墨烯并不是这样的。在石墨烯中,电子移动很长的距离,在碰撞中不容易分散。为什么石墨烯能做到这一点?吉姆推测这可能与它们近乎完美的原子结构有关。

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此外,石墨烯中的电子运动速度很高,因此在其他导体中从未见过电子的高速运动。电子相互作用,这种相互作用的量子实体又称为准粒子。吉姆的团队发现,在石墨烯中,准粒子的运动接近光速,这让他们感到惊讶。一般来说,这种高速运动只能发生在某些极端环境中,比如中子星附近,或者恒星大爆炸中。

只有在这种情况下,粒子才能加速到如此高的速度。这种高速的粒子运动也正是物理学家们非常羡慕的。为了达到这个速度,他们依靠粒子加速器。然而,现在人们在石墨烯中看到了这种运动,这意味着仅仅使用石墨烯就能探索一些奇妙的物理现象了。

狄拉克震颤

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石墨烯的使用有望探索一种叫做“狄拉克震颤”的现象,这是一种快速震颤运动,最初由英国物理学家保罗·狄拉克提出。该理论将量子力学与狭义相对论相结合来描述快速运动的粒子。狄拉克预言,当这样一个运动的粒子从一个点移动到另一个点时,它的路径不是一条直线,而是“颤抖”,因为这些粒子有很大的能量,所以它们会产生反粒子。在电子的情况下,产生的反粒子是正电子。由于反粒子与原始粒子的相互作用,它们的运动轨迹发生波动,产生了“狄拉克震颤”。

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但“狄拉克震颤”的速度太快,很难看到这种运动,但吉姆说,类似的现象可以发生在石墨烯中,而且可以测量,因为在石墨烯中,由于所谓的“粒子海”中的“洞”,粒子“震颤”的振幅约为100纳米。吉姆相信用高分辨率显微镜,这种运动是可以观察到的。

克莱恩佯僇

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在接近光速的粒子运动中,“狄拉克震颤”并不是唯一可以预测的量子力学现象。1929年,瑞典物理学家奥斯卡·克莱因预言了另一个奇妙的量子力学现象。他认为,在量子世界中,即使微粒子的总能量小于势垒高度,这些粒子仍然可以穿过势垒,这也被称为“量子隧穿效应”。

为了理解,让我们想象一堵墙,这就是所谓的“屏障”,然后想象我们朝着墙踢足球,这就是所谓的“粒子”。日常经验告诉我们,足球会被这堵墙反弹回来,但在量子世界里,“足球”很可能出现在“墙”的另一边!这就是“克莱因效应”,又称“克莱因悖论”。换句话说,在量子世界中,粒子可以忽略阻挡它们前进的“墙”,即屏障。

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为什么?原因在于前面提到的“狄拉克震颤”。因为粒子有很高的能量,它们在“壁”中产生反粒子。这些反粒子“穿过墙”,并在墙的另一边复制原始粒子。因为在反粒子看来,现实世界的山脉会变成山谷,反粒子很容易通过反物质世界的“山谷”到达屏障的另一边,所以看起来它们直接穿过“墙”,就好像“墙”根本不存在一样。

吉姆和他的同事认为,如果在狭长的石墨烯材料上形成“势垒”,并施加电场,他们可能会目睹“准粒子”穿过“势垒”的过程。

可以想见,石墨烯不仅是材料科学家的最爱“宠儿”,而且在理论物理中也会有很大的应用。

责任编辑: 蔚 蓝 文章来源:
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