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曹原发现的石墨烯,是常温超导吗?

这又是一个媒体乱报道的例子。

曹原的工作分为两篇文章,分别是《Correlated insulator behaviour at half-filling in magic-angle graphene superlattices》和《Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices》。

只需要看看摘要就知道,石墨烯“魔角”产生的超导距离常温超导还远得很:

图中高亮的一小段:1.7 kelvin,也就是1.7开尔文。

上图是电阻与温度之间的关系。可以看到,在角度为1.05度的「魔角」处,电阻会在1.7K左右的时候突然降低到零。这就是超导。

但是1.7K的温度,离「常温超导」还差得远呢!

0K到1K的温差,就相当于1摄氏度到2摄氏度的温差。而零摄氏度在开尔文温标下,相当于273K!所谓的「常温」,大概需要达到300K的转变温度才可以。

现在比较高温的超导体,大概能达到100多K的转变温度,也就是零下一百多度。即便是这么低,也已经是非常之高了。

那么,既然转变温度这么低,为什么能发顶级期刊呢?为什么是很好的工作呢?因为曹原的工作开启了一个新的范式——在二维、石墨烯六边形结构上的超导。

前段时间还有另一个新闻,赵忠贤院士领导的铁基超导体获得了国家自然科学进步一等奖,温度其实也就40K。为什么就这么重要呢?因为这是一个全新的体系。在传统的BCS理论中,铁基很难产生高温超导。

他们的转变温度虽然低,但它们就像是新生的婴儿一样,不可限量。传统的铜基超导研究了这么多年,距离室温超导还非常遥远。开启一个新的体系、范式,找到更多的可能性,是非常重要的一件事。

曹原的工作就是这样的,通过二维结构的重叠,产生更大尺度的几何结构,进而产生超导。这是极为漂亮的工作,也同样开启了一个新的体系。

科学哲学家托马斯·库恩在他的名作《科学革命的结构》中也指出,科学的进步,常常不是渐进发展的,而是一个新范式代替旧范式的过程。由此可见,范式、体系,是极为重要的。提出新体系,即便性能不一定好,但永远都是重要的科学工作。

以前我们实验室有同门做过石墨烯,对于其性质略知一二。可以明确地说,曹原所制备出来的特殊石墨烯并非常温超导体(一般称室温超导体)。

曹原年仅22岁就已第一作者的身份在《自然》(Nature)杂志发表了两篇重磅文章[1][2],由此引发了世界的关注。要知道,以前评中科院院士,只要一篇一作Nature或者Science即可。虽然现在没有这样的现象了,但Nature或者Science在科学领域中属于顶级杂志的地位无法动摇,很少有人能在上面发论文。由于曹原的突破性工作,他登上了《自然》杂志评选的2018年年度十大科学人物,他的研究成果也被做成封面。

曹原的主要工作是石墨烯超导的研究,但这种石墨烯的超导温度并非是常温,而是很低的温度,只比绝对零度了高了一点,有关曹原制备出室温超导体的报道是不实的。

石墨烯源自于石墨。石墨是由多层碳原子层组成,每层中的碳原子以蜂窝状的多个六边形排列在一起,每层之间的距离大约0.335纳米。如果把石墨的多层结构剥离成一层一层的结构,得到的材料就是石墨烯。由于石墨烯的特殊结构,它具有优异的力学、电学、磁学和热学性能,所以石墨烯改性一直都是研究热点。

曹原的研究是把两层石墨烯堆叠在一起,然后通过旋转两层产生不同的角度来研究其导电能力。当他把角度旋转到1.1度,并且把温度降低至1.7开尔文(即比绝对零度高了1.7度,-271.45摄氏度),这种双层石墨烯材料表现出了超导现象,成为零电阻、完全抗磁性的超导体。曹原制备出的石墨烯超导体属于低温超导体,其超导临界温度远低于冰点0 ℃,所以这种材料并非室温超导体。

迄今为止,人类制造出的最高温度超导体是LaH10,其超导临界温度为250开尔文,即-23摄氏度,离室温超导体还有些差距[3]。另外,这种材料的超导现象需要在170吉帕斯卡的高压(相当于地表大气压的170万倍)之下才能实现。

曹原的研究之所以会引发关注,是因为只需简单操作,无需引入其他物质,就能使石墨烯出现超导现象。对于这种双层石墨烯超导体的深入研究,将能为高温超导体甚至室温超导体的研究指明方向。

参考文献

[1] Yuan Cao, Valla Fatemi, Shiang Fang, et al., Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices, Nature, 2018, 556, 43-50.

[2] Yuan Cao, Valla Fatemi, Ahmet Demi, et al., Correlated insulator behaviour at half-filling in magic-angle graphene superlattices, Nature, 2018, 556, 80-84.

[3] A. P. Drozdov, P. P. Kong, V. S. Minkov, S. P. Besedin, et al., Superconductivity at 250 K in lanthanum hydride under high pressures, arXiv:1812.01561

超导一直是人类梦寐以求的东西,因为这意味着没有电阻的消耗。然而,常温超导的研究却举步维艰,难以实现。

1、事实

曹原文章的贡献在于找到了一个新的超导的方式,而非常温超导。这一点,已经有人回答的很清楚了。他的两篇全文,没有提到常温超导。


2、“常温超导”如何传播?

曹原的文章中写的清清楚楚,超导温度在1.7K,距离常温25℃,还差了接近297℃。那么究竟是谁最先开始误导大众?


1、事件的原点——2018.3.5

曹原的两篇文章发表时间分别如下:

1. Yuan Cao, P. Jarillo-Herrero et al. Correlated insulator behaviour at half-filling in magic-angle graphene superlattices. Nature 2018. (2018.3.5)

2. Yuan Cao, P. Jarillo-Herrero et al. Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices. Nature 2018.(2018.3.5)

2、国内传播点——2018.3.6

曹原的母校,中国科学技术大学少年班学院,在第二天就对此进行了报道,随后北青网在3月7号,环球科学大观在3月9号,也对此进行了报道。

随后,消息沉没,仅发现5月6号,用户unvs将相关报道重新组织后,上传至360的个人图书馆。

3、消息再度爆炸——2018.12.18

《自然》发布2018年度科学人物,曹原位居榜首。国内相关报道与第二天(19号)开始,铺天盖地。但是,这一批的报道,都没有出现常温超导。

4、报道开始出现偏差——2018.12.19

百家号用户指尖科技说,于第二天就发布了常温超导于曹原的文章。但是文章内容还是遵循真相,没有说曹原发现了常温超导。不过文章标题,和后半部分大篇幅介绍了常温超导,给人误解。

2019.1.8,搜狐的当代教育家转载了微信公号,直接以曹原发现常温超导为题,开始彻头彻尾的虚假报道。

网易紧随其后,在1.14日,发布了“发现常温超导体”,继续将错就错。

后面,报道越来越多,偏差也越来越大。到现在,就是我们看到的这样,大量的文章不经查实,纷纷报道常温超导的实现。

3、总结

曹原的工作开辟了发现超导体的新方式,但是距离真正的常温超导仍然有很长的路要走。这本是一件值得骄傲的幸事。然而,从百家号的“指尖科技说“的暗示开始,新闻报道开始出现了偏差。很多媒体不经求证,自行搜索他人发表的观点,再稍微改造一番,最后变成了”曹原发现常温超导“这个大乌龙。

石墨烯一直是热门的研究材料,人们也对其在能源等方面的利用渴求太多,青年才俊曹原在自然杂志上的这两篇文章一发表就备受关注,国内外也给予了大量的报道。

首先曹原的发现石墨烯的新特性,这是石墨烯研究的重大突破,也是一种新的物理现象,但从现象到理论到实际应用,还有太久太久的路要走。大量Nature,Science的文章都是这样,发现新现象,大批科学家跟进,但对应用没有推进,过几年就已经就被人们遗忘了。

这次曹原的工作确实令人惊艳,原来石墨烯还可以具有超导性质,在其文章中明确提出了在魔法角度下石墨烯超晶格具有非传统的超导性,其工作的重要性就是从原理上进行了探索。

但是这两篇文章的重点真的不是什么常温超导,文章提到的超导性是在1.7K下观察到了,也就是比绝对零度高1.7度,这离常温超导还有近300度的距离。

曹原的工作很精彩,科普工作对重要的工作当然要高调的报道,毕竟成果是MIT的,工作更是要归属于其导师及其团队。

但国内媒体却完美把震惊体应用到这个青年学者身上,什么神操作,什么实现常温超导,解决了困扰百年的难题,这些对工作的错误理解,对曹原的形象也有损伤的,这样容易捧杀青年科学家。

虽然媒体铺天盖地地报道石墨烯的超导性,但我们仍需认清目前面临的问题。现在石墨烯技术还在突破阶段,真正大规模商业化应用还得一段时间。之前华为发布了配备石墨烯电池的手机也只是增强电池的导热性,并没有显著增加电池容量。

2018年,《自然》杂志评选了年度十大科技人物,曹原作为年仅22岁的中国青年登上榜首,这的确很大程度上为国人争光。

曹原的团队通过两个堆叠在一起的“超晶格”石墨烯片实现了在原子尺度上对电子移动的自由控制。这极大地降低了制造石墨烯超导性的难度,给研究人员指明了一条更便捷的方向。

此次实验无需引入多余的选项,只通过调节石墨烯两端的电极可以让材料变为绝缘体,而完全阻挡电子通过。

于此同时也可以通过调节电极让石墨烯变成超导体,电子就可以无阻碍通过。

曹原做的就是通过1.1度的魔鬼旋转实现对石墨烯材料超导体的控制。

这一成就在基础科研上的确是重大突破,也加速了超导石墨烯材料的商业化进程。

但是我们还需保持冷静,曹原做的双层石墨烯超导实验是在极低温环境下进行的,其要求的温度接近绝对零度。而大规模商业化的超导石墨烯需要在常温环境下进行。因为每个使用了超导石墨烯材料的商品必然是要走出实验室的,必须要经历常温下的挑战。

曹原的实验之所以备受关注,不仅是因为实验取得了突破,更主要的是他身上携带的标签“22岁青年”和“中国人”。

如果参与这次石墨烯超导实验没有曹原,而且西方人,那么其关注度也就仅仅停留在科研圈内。

石墨烯的超导实验还得要经历常温环境下的考验,或者如何让极低温环境下的双层石墨烯超导材料与常温隔绝,使其即能发挥石墨烯的超导职能,又能确保在常温环境下的运行。相比接近绝对零度才能实现的石墨烯超导性,常温下的超导才是最大的难点,这一瓶颈技术要是被突破,那商业化的进程也只剩下降低成本了。

感谢艾伯友的邀请。对于这个石墨烯并非时空通讯专长,不甚了了。但超导还是知道一点,仔细看了一些报道,就知道其中的鸡蛋变恐龙的奥妙了。

本来曹原的发现是一个重大突破,为开辟超导新方式找到了一个路径。但这个实验是在1.7K的低温下进行的,1.7K也还在接近绝对零度的范畴,距离常温还有天壤之别。科学界发现的3K背景辐射,都说是接近绝对零度。

这个在接近绝对零度条件下的发现,却被网络炒作成为“发现常温超导”!与实际成果相距越来越远,实在令人有些不可思议,流言真的很可怕。(见上图)

在这些任意夸大的报道中,已经完全忽略掉了成果的真实性,而是一味的介绍起了曹原的生平和天才,并且开始描绘常温超导体的广阔远景,似乎这种前景已经呈现在了眼前。这样就给了人们一个荒谬的误导~常温超导就要来了!

那么这个所谓“常温”是一个什么温度呢?常温也叫一般温度或者室温,在化工工艺中常用AMB表示,一般定义为25度,也就是298.25K。绝对温标是热力学的标准温度,又叫开尔文温标,简称开,符号为K。0K(不是OK)为-273.15摄氏度,而1.7K为-271.45摄氏度,距离25摄氏度还相差294.45度。

这次流言变异经过使我想起了一个流言变种的寓言。

一个人给邻居说,家里刚长大的鸡开始下蛋了,刚刚生了一个新鸡蛋。邻居碰到朋友就说我家隔壁邻居的鸡生了一个很大的蛋;朋友遇到朋友说,听说某某家的鸡生了一个鹅蛋。

一传十十传百,最终传回了那家新鸡生新蛋的人家,变成了一只鸡生出了一个恐龙蛋,并孵化出了恐龙。而且这个说法专家还予以了证实,因为6500万年前的恐龙没有灭绝,而是进化成了鸟类。

鸡的骨架与恐龙的骨架很相像,因此鸡本来就是恐龙的后裔。现在鸡变成了恐龙只不过是一种返祖现象而已。

于是这个新鸡生新蛋的人家也听说了这只恐龙的诞生,但不知道这只恐龙的诞生地在那里,于是也加入了流言的传播,成为这个谣言链条中的一个环节。

这个寓言告诉我们,不要轻易的听信流言,更不要成为流言的一个环节。如果要知道事情的真相,就要冷静独立思考,并且去看看原始真实的信息。

超导体即超导材料,是指某一温度下电阻为零的导体。通过实验,若导体电阻测量值低于10^-25Ω,就可以认为电阻为零。

超导体生来就与低温连为一体,最早发现的超导体为汞,当温度下降到4.2K(-269.05摄氏度),汞的电阻消失。现在已经发现临界温度高于40K的铁基超导体,迄今为止发现超导体只有在203.15K(-70摄氏度)以下,才能够发挥作用。

而曹原发现的石墨烯超导现象条件低于1.7K。

超导体不但有0电阻的性质,还有一个重要性质就是完全的抗磁性.就是超导体会与磁场产生抗力,就是坚决不靠近磁体。根据这个特性人类就可以制造磁悬浮列车。

现在的超导体都还需要很低的温度,高温超导的理论研究还在摸索和实验中。2012年9月,德国莱比锡大学研究人员发现,石墨颗粒能在室温下表现出超导性。这个发现只是发现经过处理后的石墨粉有约占0.01%一小部分,表现了抗磁性,而抗磁性是超导材料的标志特征之一。

大概所谓石墨的“常温超导性”发源于此吧,但这个发现目前研究尚无大的突破。

因此,曹原的研究成果只是找到了发现超导体的一种新方式,与常温超导体完全不是一回事。

曹原石墨烯的成果真实的表述是:扭曲的双层石墨烯会产生两种全新的电子态,也就是在两层薄薄的石墨烯以小于1.05度角错开时,会发生奇妙的现象:产生一种电子态为Mott绝缘体态,另一种为超导态。而这个实验是在1.7K(-271.45摄氏度)时条件下得到的。

这是一个重大发现和成果,这项研究成果,为超导研究带来了新思路,也为全新电学性能的探索和工程化提供了良好的研究平台。但与实现常温超导风马牛不相及。

好在芸芸众生中,还是有一些严谨较真的朋友,以实事求是的态度破除谣言。(见上图)

所以我们一个有正常思维的人,对科学的发现和研究要准确的去理解和看待,千万不要做那种充满着“鸡变恐龙”猎奇情结,动辄把现实当作科幻和玄幻来对待的妄人。

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感谢朋友邀请。

常温(室温)超导是人类梦寐以求的,但是目前人类只能实现绝对零度附近材料的超导性能,曹元发现的石墨烯两层之间旋转特定角度之后实现的超导现象同样是在绝对零度附近1.7开尔文,大约是零下271摄氏度。


网上确实有大量的文章去夸张报道了,如果真的发现或者实现了常温超导,那么诺贝尔奖都会收入囊中的。曹元这两篇文章都是在2018年3月5日以第一作者身份发表在《nature》上,好多人对这件事关注度可能并没有那么高。

上图中显示的是在两个角度下逐渐降低温度大约在1.7开尔文的时候石墨烯的电阻急剧下降实现超导。

那为什么曹元的研究这样受重视哪?

主要就是因为石墨烯旋转特定角度实现超导,这是一种非常规超导体,现有的主流理论无法解释。这跟之前发现的铜氧化物超导体是比较类似的,也是一种非常规超导体。



大家对于常规超导体的研究已经做了很大的努力,但是如果想要实现常规超导体的常温超导难度很大,很难实现。这样非常规超导体的出现就像是给我们另辟蹊径一样。

铜氧化物超导体被认为是最有可能实现室温超导体的,目前已经实现了零下140摄氏度温度下的超导现象。但是继续往下研究就比较困难,石墨烯旋转角度低温实现超导的方式,内在机理很可能是和铜氧化物超导体相似的。这给人类实现常温超导提供了新的路径,增加了一份可能性。

曹元发现的石墨烯超导虽然不是常温超导,但是意义依然重大,这很可能会成为人类实现常温超导路上的关键性一环。


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