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中国天才少年发现石墨烯上神秘的魔角
发表时间:2020-04-15     阅读次数:     字体:【

曹原1996年出生于成都,22岁时已经是麻省理工学院在读博士生。

曹原

201835日,《自然》连续刊发两篇以曹原为第一作者的石墨烯重磅论文,其中提到的材料石墨烯,让那些担心摩尔定律极限的人,看到希望。

摩尔定律:所谓摩尔定律是指单位面积的集成电路数量,平均每18个月就要翻一番。从电子集成技术发明以来,摩尔定律一直在延续。单个晶体管的大小,从原来的几百微米,缩小到了今天的7纳米。所以,我们今天的一块手机芯片上,可以有100亿个晶体管。这些就是支持一个手机强大算力的基础设施。

石墨烯是一种以碳原子组成的六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜,它的厚度只有一个碳原子大的二维材料。自石墨烯被发现以来,其诸多优异属性一直令人印象深刻:它比铁还要坚固,比铜的导电性还要好等等。

石墨烯碳原子结构

但让科学家不解的是,石墨烯是一种仅仅由单层的碳原子构成的薄膜。在石墨烯之前,人们不相信仅仅由一层原子织成的薄膜,能够在自然界稳定存在。于是出于对这种结构的惊奇,科学家从很早开始,就在疯狂探索石墨烯的各种应用。

既然很早科学家就在研究了,那么为什么年轻的曹原的两篇论文会有如此大的轰动?

曹原在自然杂志上发表的石墨烯论文

原因是曹原发现一个神奇的现象:

通俗得讲,当两层石墨烯之间有一个特别小的夹角的时候(大概1.1°),两层石墨烯的薄膜之间会交替出现超导和绝缘的区域,就像是汽油漂在水面上交替出现的彩色条纹一样。

这个现象让科学家们非常兴奋。它开启了一个被称为转角电子学的研究领域,1.1°这个角度,就被称为“魔角”。

石墨烯上的魔角与未来芯片产业

到了2019年10月30日,《自然》杂志上发表了一篇中国、美国和日本科学家的关于石墨烯材料的联合研究。这项研究才真正让人们看到了一种未来芯片的全新可能。

而在这一次的研究中,人们发现了石墨烯一个更重磅的特性,就是通过一个小的电压变化,我们就可以控制这个超导现象的打开或者关闭。正是这个可控的特性,让科学家异常兴奋,甚至看到了未来芯片的一种可能。

为什么这么说呢?

一个可控的,能在绝缘和超导之间切换的装置是什么?——其实是一个开关。

而我们所熟悉的各种芯片,包括电脑的CPU、手机的AI芯片,还有大量的集成电路器件等等,它最底层的结构单元,其实就是逻辑开关。

所以,科学家们仿佛看到了一种全新的、构成芯片底层结构的可能,那就是用两层石墨烯的夹角结构,也就是“魔角”,构成逻辑开关的阵列。

而且这个阵列还有一个特别诱人的特性——那就是超导(零电阻效应)

要知道现在芯片行业最头疼的一个难题,就是晶体管发热的问题。而石墨烯夹角带来的超导特性,意味着这样的材料不会发热,因此格外吸引人。

不过平心而论,因为目前针对石墨烯器件的研究,普遍都在原理阶段。咱们说的这种新型芯片,距离实现看起来还非常非常远。

当然,这些都是从芯片材料的角度对于这项研究的解读。作为早期的学术研究,石墨烯转角结构很可能还会从超导原理、二维材料的设计等等其他方面,发挥意想不到的作用。

“魔角”研究的开启,仅仅是因为一位中国天才少年无意中的发现。科学和科技发展之路,虽然充满了偶然性,但离不开那些科学精英的付出。未来倘若真的基于魔角的发现,能够诞生碳基芯片,那超级电脑就不远了,人类也会迎来一个全新的发展速度!

注:图侵删

 
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