石墨烯和它的量子力學(xué)世界

伴隨著諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的頒布，石墨烯成了人們熱議的話題。石墨烯究竟是什么?有怎樣特殊的性質(zhì)?又有怎樣實(shí)際的用途?相信讀者參照本刊lOB期登載的《神奇的石墨烯》一文后，應(yīng)有一定的了解。本文嘗試談?wù)撘幌率┑奶匦院退牧孔恿W(xué)世界。

二維的碳

實(shí)際上，石墨烯的奧秘就隱藏在你使用的鉛筆頭中，只要你用鉛筆畫一條線，你就從鉛筆中釋放了一些柔軟的，呈銀灰色的純碳，它們是由一些層層重疊著的碳原子組成的。假若你能分離這些重疊著的碳原子，并獲得一片只有一個(gè)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諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者英國曼徹斯特大學(xué)的安德烈·杰姆和克斯特亞·諾沃塞洛夫所從事的。事實(shí)上，從事這項(xiàng)工作的人很多，但只有他們成功了，而他們使用的方法也非常直接而巧妙，即用膠帶分離石墨的層狀結(jié)構(gòu)，最后得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片——石墨烯，它的厚度只有0.335納米，300萬片這樣的物質(zhì)疊加在一起也只有1毫米厚。

由于石墨烯是從石墨中得到的，又具有烯類物質(zhì)的基本特征一碳原子之間的雙鍵，因而得名石墨烯。現(xiàn)在讓我們來想象一下石墨烯的樣子吧，它是微觀世界中一張單層的網(wǎng)，每個(gè)網(wǎng)格是一個(gè)完美的六邊形，每個(gè)結(jié)頭是一個(gè)碳原子。由于這張網(wǎng)只有一個(gè)原子厚，所以它近似于沒有高度，只有長(zhǎng)度和寬度，也就是說，它是二維的，不是三維的。簡(jiǎn)單地說，石墨烯是二維的碳，它是人類已知的最薄的材料。

高速運(yùn)動(dòng)的電子

得到了石墨烯后，杰姆和諾沃塞洛夫急切地想知道石墨烯的性能，他們測(cè)量了石墨烯的電行為，結(jié)果正如他們所預(yù)料的那樣，石墨烯是導(dǎo)電的。他們開始對(duì)石墨烯做進(jìn)一步的研究，于是事情變得越來越有趣起來。多數(shù)情況下，導(dǎo)體中電子的運(yùn)動(dòng)是雜亂無章的，它們隨意地碰撞和滾動(dòng)，很像游戲機(jī)中的彈珠，這是因?yàn)閷?dǎo)體晶格中的雜質(zhì)擋住了它們?nèi)ヂ返木壒省Ｈ欢苣泛椭Z沃塞洛夫發(fā)現(xiàn)，石墨烯不是那樣的，在石墨烯中，電子穿行很長(zhǎng)的距離也不會(huì)在碰撞中輕易地散開。為什么石墨烯能夠這樣?杰姆猜測(cè)這可能與它們近乎完美的原子結(jié)構(gòu)有關(guān)。

更為奇特的是，石墨烯中電子運(yùn)動(dòng)的速度非常高，這樣高速的電子運(yùn)動(dòng)在其他導(dǎo)體中根本沒有見到過。電子之間是相互作用的，這類相互作用的量子實(shí)體又被人們稱為“準(zhǔn)粒子”。2005年，杰姆的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，在石墨烯中，準(zhǔn)粒子的運(yùn)動(dòng)接近于光速，這令他們十分驚訝，因?yàn)橐话闱闆r下，如此高速的運(yùn)動(dòng)只能出現(xiàn)在某種極端的環(huán)境中，例如接近了一顆中子星，或者處在宇宙大爆炸中，只有在那種情況下，粒子才能被加速到如此高的速度。這種高速的粒子運(yùn)動(dòng)也正是物理學(xué)家們非常羨慕的，為了獲得這種速度，他們要依靠粒子加速器，然而現(xiàn)在人們?cè)谑┲锌吹搅诉@種運(yùn)動(dòng)，這意味著僅僅使用石墨烯就能探索一些奇妙的物理現(xiàn)象了。

狄拉克震顫

使用石墨烯有望探索到一種被稱為“狄拉克震顫”的現(xiàn)象，它是一種快速的震顫運(yùn)動(dòng)，最初是由英國物理學(xué)家保羅·狄拉克提出的，這種理論將量子力學(xué)與狹義相對(duì)論結(jié)合起來描述了快速運(yùn)動(dòng)的粒子。狄拉克預(yù)測(cè)，當(dāng)如此運(yùn)動(dòng)著的粒子從一點(diǎn)遷移到另一點(diǎn)時(shí)，其行進(jìn)的軌跡并非是一條直線，而是“震顫”著行進(jìn)的，這是因?yàn)榱Ｗ訋в袠O大的能量，因而它們產(chǎn)生了它們的反粒子。假若是電子的場(chǎng)合，那么產(chǎn)生的反粒子就是正電子。由于反粒子與原有粒子的相互作用，它們的軌跡便發(fā)生了波動(dòng)，導(dǎo)致了“狄拉克震顫”。

然而“狄拉克震顫”是如此之快，以致人們很難觀測(cè)到這種運(yùn)動(dòng)，不過杰姆說，類似的現(xiàn)象在石墨烯中能夠出現(xiàn)，并且能夠測(cè)量到，因?yàn)樵谑┲校捎凇傲Ｗ雍！敝兴^“空穴”的存在，粒子發(fā)生“震顫”的幅度大約為lOO納米。杰姆相信，使用高分辨率的顯微鏡，這樣的運(yùn)動(dòng)能被觀測(cè)到。

克萊恩佯僇

在粒子接近光速的運(yùn)動(dòng)中，“狄拉克震顫”并不是唯一預(yù)測(cè)到的量子力學(xué)現(xiàn)象。1929年，瑞典物理學(xué)家奧斯卡·克萊恩還預(yù)測(cè)了另外一種奇妙的量子力學(xué)現(xiàn)象，他認(rèn)為，在量子世界中，即使微觀粒子的總能量小于勢(shì)壘高度，這些粒子仍然能夠穿越這一勢(shì)壘，這種現(xiàn)象又稱為“量子隧道效應(yīng)”。

為了便于理解，讓我們想象一堵墻，它就是所謂的“勢(shì)壘”，然后再想象我們向著這堵墻踢出了一個(gè)足球，也就是所謂的“粒子”。日常的經(jīng)驗(yàn)告訴我們，足球會(huì)被這堵墻壁彈回來，然而在量子世界中，“足球”卻是有可能出現(xiàn)在“墻壁”的另一邊的!這就是“克萊恩效應(yīng)”，又稱為“克萊恩佯謬”。也就是說，在量子世界中，粒子可以不理會(huì)擋在它們前進(jìn)路途上的“墻”，即勢(shì)壘。為什么會(huì)這樣呢?原因就存在于前面所講的“狄拉克震顫”中，由于粒子帶有極高的能量，它們?cè)凇皦Α敝袆?chuàng)造了它們的反粒子。這些反粒子“穿墻而過”，又在“墻”的另一邊制作出了原來粒子的“復(fù)制品”。因?yàn)樵诜戳Ｗ涌磥恚鎸?shí)世界里的山峰會(huì)變成了山谷，反粒子很容易通過這個(gè)反物質(zhì)世界的“山谷”到達(dá)勢(shì)壘的另一邊，于是看上去，它們直接穿過了“墻”，就仿佛這堵“墻”根本就不存在一樣。

杰姆和他的同事們認(rèn)為，如果在一個(gè)狹長(zhǎng)的石墨烯材料上創(chuàng)造一個(gè)“勢(shì)壘”，再施以電場(chǎng)，他們就有可能目睹“準(zhǔn)粒子”穿越“勢(shì)壘”的過程。

可以想見，石墨烯不僅是材料學(xué)家的寵兒，也將在理論物理學(xué)上大有用武之地。

相關(guān)鏈接

杰姆的雙料“諾貝爾獎(jiǎng)”

2000年，安德烈·杰姆和邁克爾·貝瑞利用磁性克服了重力作用，成功地將一只活的青蛙懸浮在半空中，他們還推測(cè)使用類似的方法也可以讓一個(gè)人克服重力懸浮起來。相關(guān)論文發(fā)表在一份物理學(xué)期刊上，他們因此而獲得了2000年“搞笑諾貝爾。物理學(xué)獎(jiǎng)。此次，杰姆和諾沃塞洛夫因?yàn)槭┧龅拈_創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)而獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)，這使得杰姆成為歷史上第一位同時(shí)獲得過“摘笑諾貝爾獎(jiǎng)”和諾貝爾獎(jiǎng)的人。