高端突破/科大发现新机制　量子应用价值高

图：温维佳教授（右）和吴肖肖博士展示用于观测第二类狄拉克锥的3D列印材料实验样品。

石墨烯自2004年被发现以来，被视为21世纪最高端的材料之一。作为现今世上最薄、强度最大、导热性能最强的超级材料，近年来成为量子科学家争相研究的“宠儿”。石墨烯是一种拓扑材料，其奇特性质，大多来源于其拓扑的“狄拉克锥”。

香港科技大学物理学系的温维佳教授及吴肖肖博士表示，全球首次发现石墨烯等新材料中的“第二类狄拉克锥”的普适产生机制，并在声学实验中实现了该材料的许多奇特性质，改变了过往只能在苛刻条件下零星获得该材料的窘况。该机制的发现，将为现代电子通讯、量子计算、光学通信，甚至隔音减噪材料等方面带来重大应用价值。/大公报记者 汤嘉平（文） 文 澔（图）

石墨烯是一种平面单层紧密打包成一个二维（2D）蜂窝晶格的碳原子，并且是所有其他维度的石墨材料的基本构建模块。温维佳教授说，石墨烯是纳米量级的材料，比人类的头发丝还小，它的奇特性质大多来源于其拓扑的“狄拉克锥”。但石墨烯中的“狄拉克锥”，属于理论预言中的“第一类狄拉克锥”。而理论预言中更加独特的“第二类狄拉克锥”，由于对外界信号的响应具有“第一类狄拉克锥”所不具备的极强的方向性，将会为电子器件的开发与应用带来更加广阔的可能。然而，到目前为止，“第二类狄拉克锥”只能在一些材料中零星地找到，缺乏系统的生成机理。

电子“齐向前”效率更高

吴肖肖博士介绍道，是次他们的成果，就是发现了“第一类狄拉克锥”（下称“第一类”）之外的“第二类狄拉克锥”（下称“第二类”）的系统生成机理，也就是怎么生成“第二类”。吴博士在白板上画出了石墨烯的结构，即多个类似蜂窝的六边形图案。他说，每条边交汇成的格点，都是碳原子，里面还有电子。这些电子在石墨烯中传导的时候，速度和能量的关系就呈现一种交叉的形状（见图2），被称为狄拉克锥。他说，电子在狄拉克锥中，有的会向前游走，有的会向后游走，这也就是“第一类”。而最理想的状态，就是需要电子朝单向传输，往一个方向走，不要回头。“因为回来可能还会碰到一些晶格，要跟它碰撞、发热，要消耗能量，就是所谓的电阻大。所以都往前面走最好。”吴博士说，“第二类”就是电子都往前走，只是有的走得快，有的走得慢而已。与“第一类”的性质相比，“第二类”电阻更小，电能转化效率也更高。

“第二类”是在“第一类”的基础上，通过使倾斜效应占主导而得（见图3），这把原本对称的电子流动变得不对称。之前科学家在石墨烯里面做的时候，需要用一个很大的力去拉石墨烯薄膜，但对于实践应用就很难。“你不可能在真正做器件的时候，始终保持这么大一个薄膜，始终保持一个那么大的拉力，那怎么办呢？所以我们就需要设计一个新的方案，让这个电子在里面传播的时候，更加容易形成一种‘倾斜’。”吴博士续说，电子和声音有一个类似的地方，即都是通过波来传播，两者原理相同。所以，若是利用声波做实验，发现能验证到结论，反推到电子传播上，也是成立的。

声学已验证 操作性更强

于是乎，温教授团队利用3D列印的具有周期排列的孔阵的声学样品（见图1），用声学共振态去模拟电子的行为。“我们在研究过程中发现，我们只要让电子在同一个方向跃迁的时候，只要让它们产生两种不同的跃迁强度，就比如是t1、t2两种不一样的跃迁强度，那么就很容易地得到这种第二类狄拉克锥，也是我们想要的狄拉克锥。”吴博士说，反推到电子上，只要是设计成这样的方案，类比来说，就是让两个电子同时用t0的速度往前跑，即所谓的能带折叠，再让它们跑得速度不一样，一个变小成t1，一个变大成t2，就容易形成一种强烈的“倾斜”效应，就可以得到第二类狄拉克锥。温教授团队在声学样品里，成功验证了这一原理。

温维佳教授补充道，这个实验方案较原先给石墨烯加压力的方案，更加简易，操作性更强。而本次实验的成功，为研发一种电阻更小的电子材料奠定基础。“电阻变小，被消耗掉的能量就变小，你的芯片也就不会那么容易发热。换句话说，假设一部手机，你现在充一次电可以用一天，以后如果有了电阻更小的材料，那你就可能充一次电用10天、20天。”据悉，是次温教授团队的研究结果，已发布在物理学著名国际期刊《物理评论快报》。