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最新发现: 铋锑合金薄膜或超越石墨烯  

2012-05-19 12:19:53|  分类: 科学研究前沿 |  标签: |举报 |字号 订阅

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中外科学家最新发现有望成为未来产业革命的基础 神奇新材料超越石墨烯

  本报讯 (记者姜澎)中国青年科学家唐爽和世界著名科学家崔瑟豪斯教授(Mildred S.Dresselhaus)近日在世界科学圣殿——美国麻省理工学院提出了“唐爽—崔瑟豪斯理论”,找到了建立不同类型“狄拉克锥”(Diraccone)的方法,为下一代科学和技术的革命提供了新的途径。这一项目已经被美国空军、美国能源部纳为支持项目,美国、英国、瑞典等国家用五种语言对这一成果做了详细报道。

电子能像光一样旅行

  在物理学中,“狄拉克锥”指的是电子能在二维平面内像光一样传播的体系,对基础科学和产业技术的意义非常重大。2010年,石墨烯被发现有“狄拉克锥”,其发明者获得了诺贝尔物理奖。而唐爽此次找到了另外一种合金材料,不仅具有多数石墨烯的特殊性质,还有一些更为复杂和有趣的特殊功能和性质。

  这种材料就是铋锑合金薄膜。在不同的温度、压强、膜厚、生长取向等条件下,这种材料可以提供很多种可控的特殊性质。唐爽和崔瑟豪斯在铋锑合金薄膜找到了建立不同类型“狄拉克锥”(Diraccone)的方法。

  像石墨烯一样,这种新材料具有“狄拉克锥”的奇特电子结构。这种不同寻常的电子结构使得电子可以在材料中以不同于其他一般材料的方式运动,唐爽说:“在这种材料中,电子能像光一样旅行。”而且无论有什么样的“墙壁”,电子都能够快速地100%地通过。

  唐爽是复旦大学物理系的理学士,他说:“这些应用还呼唤着我们的进一步开发,有很多实验和测试需要做!”据崔瑟豪斯教授介绍,在他们做出这个结果以前,从来没有人想过铋类材料可以产生“狄拉克锥”的电子结构。最初,他们是从研究铋锑合金的理论性质开始的,但是得到了大家意想不到的结果。这种新材料不仅拥有石墨烯的各种性质,改变生长条件,还可以让这种新材料产生其他更新奇的性质。这就开辟了电子器件产业的新方向:在同一种材料体系上制造各种各样的电子器件,大大节省了工业成本。乌克兰的合作者已经开始合成这种材料。

助力“量子计算机”研发

  这种铋锑合金薄膜材料极为可能成为下一代计算机芯片和热电发电机的革命性材料。因为,一旦这种材料制成电脑芯片,其速度将会比现有硅材料的芯片快很多倍。电子在这种新材料中的传播速度将比在硅中快几百倍!而且,由于狄拉克电子比硅中的经典电子有大百倍的迁移率。同时,不同各向异性程度的狄拉克锥预示着我们可以在同一种材料体系中制造出各种不同的电子器件,从而避免了硅电子产业中昂贵的切割工序。这可能为电子制造业节约相当可观的成本,不得不令人兴奋。这样一来,“量子计算机”的实现也有了新的可能。一旦量子计算机发明,将成千上万倍地提高计算机运算速度,从而淘汰现有的二进制计算机。

  如果将这一材料用于发热发电,则可以利用器件两端的温差来产生电流,因为唐爽和崔瑟豪斯教授提供的这种材料,具有极快的电子传播速度、极小的热导率,所以能产生极大的发电效率,从而制造出高效的热电材料。该体系尤其适合于超低温体系,如在太空空间站、卫星等体系中,将向阳面和背阳面的温度差转化为电能从而为空间站、卫星等提供动力。反过来,这种材料还能制成“高效的低温制冷机”,效率高、价格低廉且不产生噪音和废料污染。

  唐氏理论提出的体系对于基础科学研究的意义在于,可以提供在低速下研究新的相对论现象的平台。特别是唐氏理论指出的各种各向异性的狄拉克锥让狄拉克电子在不同方向上具有不同的相对论色散的群速度。用通俗的话讲就是“让爱因斯坦向左走路的速度比向前快很多”。

http://www.cnpowder.com.cn/news/21696.html

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