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中國(guó)青年科學(xué)家唐爽和世界著名科學(xué)家崔瑟豪斯教授（MildredS.Dresselhaus）近日在世界科學(xué)圣殿美國(guó)麻省理工學(xué)院提出了“唐爽—崔瑟豪斯理論”，找到了建立不同類型“狄拉克錐”（Diraccone）的方法，為下一代科學(xué)和技術(shù)的革命提供了新的途徑。這一項(xiàng)目已經(jīng)被美國(guó)空軍、美國(guó)能源部納為支持項(xiàng)目，美國(guó)、英國(guó)、瑞典等國(guó)家用五種語(yǔ)言對(duì)這一成果做了詳細(xì)報(bào)道。
電子能像光一樣旅行
在物理學(xué)中,“狄拉克錐”指的是電子能在二維平面內(nèi)像光一樣傳播的體系,對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)和產(chǎn)業(yè)技術(shù)的意義非常重大。2010年，石墨烯被發(fā)現(xiàn)有“狄拉克錐”,其發(fā)明者獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng)。而唐爽此次找到了另外一種合金材料，不僅具有多數(shù)石墨烯的特殊性質(zhì)，還有一些更為復(fù)雜和有趣的特殊功能和性質(zhì)。
這種材料就是鉍銻合金薄膜。在不同的溫度、壓強(qiáng)、膜厚、生長(zhǎng)取向等條件下，這種材料可以提供很多種可控的特殊性質(zhì)。唐爽和崔瑟豪斯在鉍銻合金薄膜找到了建立不同類型“狄拉克錐”（Diraccone）的方法。
像石墨烯一樣，這種新材料具有“狄拉克錐”的奇特電子結(jié)構(gòu)。這種不同尋常的電子結(jié)構(gòu)使得電子可以在材料中以不同于其他一般材料的方式運(yùn)動(dòng)，唐爽說(shuō)：“在這種材料中，電子能像光一樣旅行。”而且無(wú)論有什么樣的“墻壁”，電子都能夠快速地100%地通過(guò)。
唐爽是復(fù)旦大學(xué)物理系的理學(xué)士，他說(shuō)：“這些應(yīng)用還呼喚著我們的進(jìn)一步開發(fā)，有很多實(shí)驗(yàn)和測(cè)試需要做！”據(jù)崔瑟豪斯教授介紹，在他們做出這個(gè)結(jié)果以前，從來(lái)沒有人想過(guò)鉍類材料可以產(chǎn)生“狄拉克錐”的電子結(jié)構(gòu)。最初，他們是從研究鉍銻合金的理論性質(zhì)開始的，但是得到了大家意想不到的結(jié)果。這種新材料不僅擁有石墨烯的各種性質(zhì)，改變生長(zhǎng)條件，還可以讓這種新材料產(chǎn)生其他更新奇的性質(zhì)。這就開辟了電子器件產(chǎn)業(yè)的新方向：在同一種材料體系上制造各種各樣的電子器件，大大節(jié)省了工業(yè)成本。烏克蘭的合作者已經(jīng)開始合成這種材料。
助力“量子計(jì)算機(jī)”研發(fā)
這種鉍銻合金薄膜材料極為可能成為下一代計(jì)算機(jī)芯片和熱電發(fā)電機(jī)的革命性材料。因?yàn)�，一旦這種材料制成電腦芯片，其速度將會(huì)比現(xiàn)有硅材料的芯片快很多倍。電子在這種新材料中的傳播速度將比在硅中快幾百倍！而且，由于狄拉克電子比硅中的經(jīng)典電子有大百倍的遷移率。同時(shí)，不同各向異性程度的狄拉克錐預(yù)示著我們可以在同一種材料體系中制造出各種不同的電子器件，從而避免了硅電子產(chǎn)業(yè)中昂貴的切割工序。這可能為電子制造業(yè)節(jié)約相當(dāng)可觀的成本，不得不令人興奮。這樣一來(lái)，“量子計(jì)算機(jī)”的實(shí)現(xiàn)也有了新的可能。一旦量子計(jì)算機(jī)發(fā)明，將成千上萬(wàn)倍地提高計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度，從而淘汰現(xiàn)有的二進(jìn)制計(jì)算機(jī)。
如果將這一材料用于發(fā)熱發(fā)電，則可以利用器件兩端的溫差來(lái)產(chǎn)生電流，因?yàn)樘扑痛奚浪菇淌谔峁┑倪@種材料，具有極快的電子傳播速度、極小的熱導(dǎo)率，所以能產(chǎn)生極大的發(fā)電效率，從而制造出高效的熱電材料。該體系尤其適合于超低溫體系，如在太空空間站、衛(wèi)星等體系中，將向陽(yáng)面和背陽(yáng)面的溫度差轉(zhuǎn)化為電能從而為空間站、衛(wèi)星等提供動(dòng)力。反過(guò)來(lái)，這種材料還能制成“高效的低溫制冷機(jī)”，效率高、價(jià)格低廉且不產(chǎn)生噪音和廢料污染。
唐氏理論提出的體系對(duì)于基礎(chǔ)科學(xué)研究的意義在于，可以提供在低速下研究新的相對(duì)論現(xiàn)象的平臺(tái)。特別是唐氏理論指出的各種各向異性的狄拉克錐讓狄拉克電子在不同方向上具有不同的相對(duì)論色散的群速度。用通俗的話講就是“讓愛因斯坦向左走路的速度比向前快很多”。
