石墨烯和它的量子力学世界

伴随着诺贝尔物理学奖的颁布,石墨烯成了人们热议的话题。石墨烯究竟是什么?有怎样特殊的性质?又有怎样实际的用途?相信读者参照本刊lOB期登载的《神奇的石墨烯》一文后,应有一定的了解。本文尝试谈论一下石墨烯的特性和它的量子力学世界。

　　

　　二维的碳

　　

　　实际上,石墨烯的奥秘就隐藏在你使用的铅笔头中,只要你用铅笔画一条线,你就从铅笔中释放了一些柔软的,呈银灰色的纯碳,它们是由一些层层重叠着的碳原子组成的。假若你能分离这些重叠着的碳原子,并获得一片只有一个原子厚的碳薄膜,你便得到了石墨烯。

　　上述工作也正是本年度诺贝尔物理学奖获得者英国曼彻斯特大学的安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃塞洛夫所从事的。事实上,从事这项工作的人很多,但只有他们成功了,而他们使用的方法也非常直接而巧妙,即用胶带分离石墨的层状结构,最后得到了仅由一层碳原子构成的薄片——石墨烯,它的厚度只有0.335纳米,300万片这样的物质叠加在一起也只有1毫米厚。

　　由于石墨烯是从石墨中得到的,又具有烯类物质的基本特征一碳原子之间的双键,因而得名石墨烯。现在让我们来想象一下石墨烯的样子吧,它是微观世界中一张单层的网,每个网格是一个完美的六边形,每个结头是一个碳原子。由于这张网只有一个原子厚,所以它近似于没有高度,只有长度和宽度,也就是说,它是二维的,不是三维的。简单地说,石墨烯是二维的碳,它是人类已知的最薄的材料。

　　

　　高速运动的电子

　　

　　得到了石墨烯后,杰姆和诺沃塞洛夫急切地想知道石墨烯的性能,他们测量了石墨烯的电行为,结果正如他们所预料的那样,石墨烯是导电的。他们开始对石墨烯做进一步的研究,于是事情变得越来越有趣起来。多数情况下,导体中电子的运动是杂乱无章的,它们随意地碰撞和滚动,很像游戏机中的弹珠,这是因为导体晶格中的杂质挡住了它们去路的缘故。然而杰姆和诺沃塞洛夫发现,石墨烯不是那样的,在石墨烯中,电子穿行很长的距离也不会在碰撞中轻易地散开。为什么石墨烯能够这样?杰姆猜测这可能与它们近乎完美的原子结构有关。

　　更为奇特的是,石墨烯中电子运动的速度非常高,这样高速的电子运动在其他导体中根本没有见到过。电子之间是相互作用的,这类相互作用的量子实体又被人们称为“准粒子”。2005年,杰姆的团队发现,在石墨烯中,准粒子的运动接近于光速,这令他们十分惊讶,因为一般情况下,如此高速的运动只能出现在某种极端的环境中,例如接近了一颗中子星,或者处在宇宙大爆炸中,只有在那种情况下,粒子才能被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,为了获得这种速度,他们要依靠粒子加速器,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

　　

　　使用石墨烯有望探索到一种被称为“狄拉克震颤”的现象,它是一种快速的震颤运动,最初是由英国物理学家保罗·狄拉克提出的,这种理论将量子力学与狭义相对论结合起来描述了快速运动的粒子。狄拉克预测,当如此运动着的粒子从一点迁移到另一点时,其行进的轨迹并非是一条直线,而是“震颤”着行进的,这是因为粒子带有极大的能量,因而它们产生了它们的反粒子。假若是电子的场合,那么产生的反粒子就是正电子。由于反粒子与原有粒子的相互作用,它们的轨迹便发生了波动,导致了“狄拉克震颤”。

　　然而“狄拉克震颤”是如此之快,以致人们很难观测到这种运动,不过杰姆说,类似的现象在石墨烯中能够出现,并且能够测量到,因为在石墨烯中,由于“粒子海”中所谓“空穴”的存在,粒子发生“震颤”的幅度大约为lOO纳米。杰姆相信,使用高分辨率的显微镜,这样的运动能被观测到。

　　

　　克莱恩佯僇

　　

　　在粒子接近光速的运动中,“狄拉克震颤”并不是唯一预测到的量子力学现象。1929年,瑞典物理学家奥斯卡·克莱恩还预测了另外一种奇妙的量子力学现象,他认为,在量子世界中,即使微观粒子的总能量小于势垒高度,这些粒子仍然能够穿越这一势垒,这种现象又称为“量子隧道效应”。

　　为了便于理解,让我们想象一堵墙,它就是所谓的“势垒”,然后再想象我们向着这堵墙踢出了一个足球,也就是所谓的“粒子”。日常的经验告诉我们,足球会被这堵墙壁弹回来,然而在量子世界中,“足球”却是有可能出现在“墙壁”的另一边的!这就是“克莱恩效应”,又称为“克莱恩佯谬”。也就是说,在量子世界中,粒子可以不理会挡在它们前进路途上的“墙”,即势垒。为什么会这样呢?原因就存在于前面所讲的“狄拉克震颤”中,由于粒子带有极高的能量,它们在“墙”中创造了它们的反粒子。这些反粒子“穿墙而过”,又在“墙”的另一边制作出了原来粒子的“复制品”。因为在反粒子看来,真实世界里的山峰会变成了山谷,反粒子很容易通过这个反物质世界的“山谷”到达势垒的另一边,于是看上去,它们直接穿过了“墙”,就仿佛这堵“墙”根本就不存在一样。

　　杰姆和他的同事们认为,如果在一个狭长的石墨烯材料上创造一个“势垒”,再施以电场,他们就有可能目睹“准粒子”穿越“势垒”的过程。

　　可以想见,石墨烯不仅是材料学家的宠儿,也将在理论物理学上大有用武之地。

　　

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　　杰姆的双料“诺贝尔奖”

　　2000年,安德烈·杰姆和迈克尔·贝瑞利用磁性克服了重力作用,成功地将一只活的青蛙悬浮在半空中,他们还推测使用类似的方法也可以让一个人克服重力悬浮起来。相关论文发表在一份物理学期刊上,他们因此而获得了2000年“搞笑诺贝尔。物理学奖。此次,杰姆和诺沃塞洛夫因为石墨烯所做的开创性实验而获得诺贝尔物理奖,这使得杰姆成为历史上第一位同时获得过“摘笑诺贝尔奖”和诺贝尔奖的人。