El joven talentoso Cao Yuan vuelve a mostrar su talento. ¿Qué tipo de investigación realiza principalmente Cao Yuan?

Creo que muchos amigos que se dedican a la investigación científica (mover ladrillos) se han sentido recientemente abrumados por la noticia sobre el gran maestro Cao Yuan (profundamente estimulados). ¿Todavía recuerdas que era la primavera de 2018, cuando la epidemia no estaba arrasando, y el talentoso chico Cao Yuan publicó dos artículos consecutivos en la importante revista "Nature"? El grafeno de doble capa que estudió tenía algo mágico. ángulos (¿aproximadamente 1,1?

Han pasado dos años y el niño sigue siendo el mismo: ¿no publicaré un artículo en Nature, sino sólo dos?

(Aplausos animación )

En mayo de 2020, Cao Yuan y su mentor y colaboradores informaron en Nature que el grafeno bicapa de esquina y el uso de nano-SQUID (interferómetro cuántico nano superconductor) para caracterizar las faltas de homogeneidad de las esquinas en el grafeno bicapa de esquina. Dos trabajos relacionados sobre cuestiones sexuales han llevado el campo de la electrónica de esquina a otro clímax.

De hecho, desde la llegada del grafeno de doble capa con ángulo mágico en marzo de 2018, se han publicado más de 13 artículos hasta el momento. Se han publicado trabajos de investigación relacionados con materiales bidimensionales cornificados en las dos revistas más importantes, "Nature" y "Science" (recordatorio de advertencia: ¿habrá otra ola de trabajos a punto de publicarse en "Nature" y "Science"?)< / p>

Mira esto.

Al observar esta avalancha de resultados de investigación destacados, no puedo evitar decir: "¡Huele tan bien!

¿Cómo es posible? ¿Existe el cuerno mágico? ¿Qué pasa con una magia tan grandiosa? Hoy, el autor te hablará de todo tipo de "chismes" en cada rincón.

¿Puedes simularlo en casa? En primer lugar, todo el mundo debe tener curiosidad sobre de qué tratan estos trabajos publicados en las principales revistas.

En términos científicos, se llama: superred de Moiré

la superred de Moore es esencialmente una nueva. Conjunto de celosías de período largo de baja frecuencia formadas después de que dos grupos de celosías con distribución espacial similar se superpongan e interfieran entre sí. En términos sencillos, los dos grupos de celosías están superpuestos en el espacio, a veces densamente empaquetados, y a veces escasos. y la distribución periódica densa forma las llamadas franjas de muaré.

Las franjas de muaré se pueden ver a menudo en nuestra vida diaria, por ejemplo, cuando tomas una fotografía de la pantalla de una computadora con tu teléfono, rayas distorsionadas visibles. A menudo aparecen en las fotografías tomadas. Esto se debe a que el conjunto de elementos emisores de luz de la pantalla de la computadora y el elemento sensor CCD o CMOS de la cámara del teléfono móvil forman dos conjuntos de cuadrículas similares, que se superponen entre sí para formar rayas Moiré. El patrón de las franjas de Moiré está estrechamente relacionado con los ángulos de la celosía. Si está interesado, puede encontrar dos rejillas idénticas (como las pantallas de las ventanas) a su alrededor, girarlas manualmente y observar los cambios en las franjas de Moiré. p>

Fotografiar franjas de muaré en la pantalla de una computadora (imagen: creación propia del autor)

Rotar dos capas de rejillas hexagonales del mismo tamaño producirá franjas de muaré con mayor periodicidad (imagen: creación propia) -realizado por el autor)

Aunque las franjas de Moiré causan problemas en las pantallas electrónicas y las fotografías, los científicos han pensado en usar franjas de Moiré en materiales bidimensionales para observar un nuevo fenómeno físico simplemente reemplazando la pantalla de la ventana con dos Las capas de cristales con una red similar o idéntica y apiladas en un ángulo pequeño pueden construir rayas microscópicas de Moiré bidimensionales, es decir, una superred de Moiré bidimensional (Cao Wenxuan originalmente reemplazó la pantalla de la ventana con dos capas). de grafeno y lo giró aproximadamente 1,1 ?)

Aquí, por cierto, el autor populariza los materiales bidimensionales.

Los materiales bidimensionales, como su nombre indica, son materiales tan finos que pueden considerarse el límite de la bidimensionalidad. Los materiales bidimensionales comunes incluyen el grafeno (el componente básico del grafito, que contiene solo una capa de átomos de carbono, que están dispuestos en un patrón de panal hexagonal) y capas delgadas de sulfuros de metales de transición (como el disulfuro de molibdeno MoS2, etc.) , que suelen ser muy buenos materiales semiconductores). Dado que los materiales 2D son muy delgados, la interfaz entre dos capas de materiales 2D representa las propiedades del conjunto. Por lo tanto, los materiales bidimensionales se consideran uno de los soportes más adecuados para la investigación de superredes molares.

Diagrama esquemático de la red de grafeno (cada esfera representa un átomo de carbono, fuente de la imagen: Wikipedia)

¿Descubrió el mecanismo de la superconductividad a alta temperatura?

El famoso escritor de ciencia ficción Liu Cixin describió un mundo compuesto por tres estrellas en su obra maestra "El problema de los tres cuerpos". Las tres estrellas están estrechamente conectadas bajo la influencia de la gravedad y sus movimientos son erráticos y cambiantes, lo que provoca enormes desastres para la civilización Trisolar.

El problema de los tres cuerpos es el más simple de todos los problemas de muchos cuerpos, pero es suficiente para preocupar a la humanidad hasta el día de hoy.

Cuando el número de objetos es N?3, la dinámica del sistema no se puede resolver estrictamente (la gente suele utilizar varios métodos de aproximación basados ​​en la situación real). En el campo de la investigación en física básica, los sistemas multicuerpos compuestos por múltiples objetos interrelacionados (incluidos electrones, átomos, etc.) exhiben propiedades físicas que a menudo exceden la comprensión que las personas tienen del conocimiento existente.

El profesor Philip W. Anderson (fallecido en marzo de 2020), famoso físico y premio Nobel, dejó un famoso dicho "Más es diferente", que hace referencia a que las interacciones entre muchos cuerpos pueden producir nuevas física.

Philip W. Anderson (1923.12.13-2020.3.29)

En los materiales del mundo real, los electrones se pueden relacionar entre sí mediante interacciones electrostáticas (fuerzas de Coulomb), y Las correlaciones de muchos cuerpos a menudo inducen propiedades físicas peculiares. Por ejemplo, en los materiales cerámicos a base de cobre, los científicos han descubierto que su temperatura de transición superconductora puede aumentar significativamente por encima de la temperatura de ebullición del nitrógeno líquido, por lo que tiene un gran valor práctico (los científicos chinos han hecho contribuciones destacadas en este campo). Lograr la transición superconductora a temperatura ambiente tendrá un impacto revolucionario en el futuro desarrollo de la energía y el transporte.

Por lo tanto, encontrar un sistema tan fuertemente correlacionado y descubrir sus misterios físicos siempre ha sido un tema muy importante en la investigación en física básica. La superred molar angular en la que nos centraremos hoy es un buen sistema relacionado con muchos cuerpos.

Allá por 2011. Aunque la gente se había dado cuenta en ese momento de que apilar dos capas de grafeno en determinadas esquinas podría formar una superred molar bidimensional y dar lugar a nuevos fenómenos físicos. Sin embargo, no fue hasta que los físicos teóricos estadounidenses, el profesor Allan H. MacDonald y el Dr. Rafi Bistritzer, descubrieron mediante cálculos que en una superred de grafeno de doble capa con un ángulo de 1,1° que la velocidad de los electrones disminuiría drásticamente, la gente comenzó a darse cuenta gradualmente. que, la superred de grafeno de doble capa con un ángulo de 1,1° contiene ricos fenómenos físicos de muchos cuerpos fuertemente correlacionados.

Para facilitar la comprensión del misterio, el autor pone un ejemplo sencillo.

Supongamos que la bala impacta en un pastel de arroz. La adhesión de la torta de arroz a la bala es similar a la fuerza de interacción electrostática entre electrones, y la velocidad de la bala es similar a la velocidad del electrón. Cuando la velocidad de la bala es muy rápida, la bala puede penetrar fácilmente la torta de arroz, y la torta de arroz tiene poco efecto sobre la bala; cuando la velocidad de la bala es muy lenta, la bala se pegará a la torta de arroz;

La velocidad y la fuerza de interacción de los electrones son una relación muy competitiva. En una sola capa de grafeno, la velocidad de los electrones puede alcanzar 1/30 de la velocidad de la luz, tan rápido (se están mostrando efectos relativistas) que la fuerza de interacción entre los electrones a menudo puede ignorarse. En la superred de grafeno de doble capa con un ángulo de 1,1°, la velocidad de los electrones es casi cercana a cero y las interacciones de muchos cuerpos la reemplazan. Por lo tanto, la superred de grafeno con un ángulo se convierte en un modelo típico de muchos cuerpos (específicamente, ¿por qué la velocidad de los electrones? el cambio? cayó bruscamente, los niños interesados ​​pueden consultar la literatura relevante por sí mismos).

Modelo de grafeno de doble capa de ángulo mágico (fuente de la imagen: sitio web de la revista "Nature")

El resultado de que la bala se atasque en la torta de arroz se refleja en la superred de grafeno de ángulo mágico , que es El estado metálico electrónico original se puede convertir en un estado aislante.

Después de la predicción teórica, los científicos experimentales comenzaron a intentar utilizar varios métodos para preparar esta muestra de superred de grafeno de esquina y observar la física de muchos cuerpos en ella.

En 2018, Cao Yuan y su mentor, el profesor Pablo Jarillo-Herrero, tomaron la iniciativa en la preparación de muestras de grafeno de doble capa con ángulo mágico y observaron que cambiaban de un estado metálico a baja temperatura (alrededor de -270 °C ) Transición a un estado aislante. Sorprendentemente, descubrieron inesperadamente que en realidad se puede inducir superconductividad si se añade una cierta cantidad de electrones al estado aislante transformado. Este comportamiento es muy similar al de los superconductores a base de cobre que describimos anteriormente.

Por lo tanto, el grafeno de doble capa de ángulo mágico es de gran importancia para comprender el mecanismo de la superconductividad de alta temperatura (no significa que la investigación de Cao Yuan haya descubierto el mecanismo de la superconductividad de alta temperatura o incluso haya logrado la superconductividad de alta temperatura). superconductividad de temperatura Algunos medios Se produjo una falsa alarma grave).

Cao Yuan y la superconductividad que descubrió en el grafeno de doble capa de ángulo mágico (fuente de la imagen: sitio web "Nature")

Pablo Harillo-Herrero El profesor Pablo Jarillo-Herrero ganó el premio 2020 Premio Buckley (el máximo galardón en física de la materia condensada) por su avance en el grafeno de ángulo mágico; Allan H. MacDonald y Rafi Bistritzer**** ganaron juntos el Premio Wolf 2020.

De izquierda a derecha: Pablo Harillo Herrero, Alain H. Macdonald y Rafi Bistrizer (Fuente de la foto: sitio web oficial del Premio Wolf)

Por qué causó sensación en la comunidad de investigación científica ?

Los interesantes fenómenos físicos provocados por la interacción de muchos cuerpos de electrones en el grafeno de esquina atrajeron rápidamente una atención generalizada. En 2019, los físicos descubrieron que en este sistema también existen abundantes estados cuánticos de la materia. Los niños que han prestado un poco de atención a la física básica pueden haber oído hablar del trabajo del académico Xue Qikun de la Universidad de Tsinghua, quien descubrió el efecto Hall anómalo cuántico (¿llamado por el Sr. Yang Zhenning? ¿Un logro a nivel de Premio Nobel?). El efecto Hall anómalo cuántico resultó en el mismo efecto Hall anómalo cuántico. El efecto Hall anómalo también se puede realizar en grafeno bicapa de ángulo mágico.

Efecto Hall anómalo cuántico en grafeno de doble capa de ángulo mágico (fuente de la imagen: sitio web de la revista "Science")

Basado en estos importantes resultados, se ha desarrollado un nuevo campo de investigación: "Angular Electronics" "nació. Nació la "electrónica angular". Este campo se puede dividir aproximadamente en dos direcciones (vertical y horizontal): la dirección vertical es para explorar y comprender profundamente nuevos fenómenos físicos en el sistema, incluida la superconductividad y el efecto Hall anómalo cuántico que mencionamos anteriormente. ; Transverse busca más sistemas relacionados con múltiples cuerpos de esquinas

Uno de los dos artículos mencionados al principio del artículo de Cao Yuan publicado en la revista "Nature" este año, sobre la doble capa de esquinas. El descubrimiento de una transición de estado aislante metálico en una superred de grafeno de doble capa entra en la última categoría (vale la pena mencionar que un equipo de la Academia de Ciencias de China también hizo el mismo trabajo), excepto que apilan dos de una o dos capas. Además de estar juntos, los científicos descubrieron más tarde que casi la mayoría de los materiales bidimensionales pueden evolucionar hacia sistemas electrónicos de muchos cuerpos fuertemente correlacionados cuando se apilan en un cierto ángulo para formar una superred molar adecuada (Nature y varios artículos relacionados). fueron publicados en la revista Science).

¿Profundidad y amplitud equilibradas? Esta puede ser la razón por la que el "ángulo" explotó en el mundo científico.

"Nature" III Lianfa: ¡Tres artículos! sobre las esquinas de superred de otros materiales bidimensionales se publicaron en la revista "Nature" en 2020 (publicada en marzo de 2020, marzo de 2020 y mayo de 2020 respectivamente)