石墨烯是什么东西(石墨烯是什么材料)

石墨烯是什么东西(石墨烯是什么材料)

石墨烯是什么？什么特殊性质？什么实际用途？石墨烯的性质是什么？石墨烯和量子力学有什么关系？

二维碳

其实石墨烯的秘密就藏在你用的铅笔里。只要用铅笔划一条线，就会从铅笔中释放出一些柔软的银灰色纯碳，由一些重叠的碳原子组成。如果能把这些重叠的碳原子分开，只能得到一层原子碳膜，就可以得到石墨烯。

以上工作也是诺贝尔医学奖得主Andrej Jim和Stra Novio Senolf的工作。其实很多人都在从事这项工作，但只有他们成功了。他们只用了一种很直的方法和一种巧妙的方法，就是用胶带把石墨的层状结构分开，得到一层石墨烯，也就是石墨烯只由一层碳原子组成。它的厚度只有0.335nm，300万种这样的材料只有1mm厚。

因为石墨烯是由石墨得到的，烯烃基本特性之间的双键被称为石墨烯。现在我们想象一下石墨烯是什么样的。它是微观世界的单层网络。每个网络是一个的六边形，每个节点是一个碳原子。因为这个网络只有一个原子厚，几乎没有高度，只有长度和宽度，也就是二维的而不是三维的。简而言之，石墨烯是二维碳，是人类已知最薄的材料。

高速运动

镀金后，吉姆和诺维洛夫渴望知道石墨烯的性质。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。他们开始了解石墨烯的进一步研究，于是事情变得越来越有趣。在大多数情况下，电子在导体中的运动是无序的。它们随机碰撞滚动，很像游戏中的珠子，因为导体晶格中的杂质阻碍了它们的前进。然而，吉姆和诺维奥塞诺夫发现石墨烯并不是这样的。在石墨烯中，电子移动的距离很长，在碰撞中不容易分散。格普德为什么要这么做？吉姆推测这可能与其近乎的原子结构有关。

另外，石墨烯中的电子是高速运动的，所以电子的高速运动在其他导体中是从未见过的。电子相互作用，相互作用量子实体也叫准粒子。吉姆的团队发现准粒子在石墨烯中的迁移速度接近，这让他们很惊讶。通常这种高速运动只能发生在一些极端环境下，比如中子星或者星弹。

只有在这种情况下，粒子才能以如此高的速度加速。这种高速粒子运动也让物理学家羡慕不已。为了达到这个速度，他们依靠粒子加速器。但是，现在人们看到了石墨烯的这种运动，也就是说只有石墨烯才能探索一些奇妙的物理现象。

Dirac颤抖着

预计使用石墨烯将探索一种被称为“狄拉克震颤”的现象，这是一种快速的震颤，最初由英国物理学家保罗狄拉克提出。这个理论结了量子力学，用狭义相对讨论来描述粒子的快速运动。狄拉克预言，当这样的运动粒子从一个点运动到另一个点时，它们的路径不是直线，而是“颤抖”，因为这些粒子的能量很大，所以产生了逆粒子。在电子的情况下，得到的逆粒子是正电子。由于反应之间的相互作用，它们的轨迹发生波动，从而产生“狄拉克颤抖”。

但是“狄拉克震颤”的速度太快了，很难看到这种运动，但吉姆表示，石墨烯中可能会出现类似的现象，并且可以测量，因为在石墨烯中，由于所谓的“粒子”和“洞穴”，粒子“震颤”的幅度大约为100nm。吉姆相信高分辨率显微镜，观察到了这种运动。

Claien.

在接近光速的粒子运动中，“狄拉克颤抖”并不是可预测的量子力学。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。他认为，在量子世界中，即使细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“量子隧道效应”。

要理解，我们先想象一堵墙，也就是所谓的“障碍”，再想象我们朝着墙踢球，也就是所谓的“质点”。日常经验告诉我们，足球会从这面墙上弹开，但在量子世界里，“足球”可能会出现在墙的另一边！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的“墙”。

为什么？原因就是上面提到的“狄拉克颤抖”。因为粒子能量高，所以在“墙”里产生逆粒子。这些反向粒子“穿墙而过”，在墙的另一边原始粒子。因为有了反粒子观，现实世界的山就会变成谷。反粒子很容易到达反物质世界另一边的屏障，所以它们似乎穿过了“墙”，作为“墙”的基础，并不存在。

吉姆和他的同事认为，如果在狭窄的石墨烯材料上形成“屏障”，他们可以通过“屏障”见证“准”过程。

可想而知，石墨烯不仅是材料科学家最喜欢的“宝贝”，在理论物理领域也是如此。