石墨烯三維異型體能形成迪拉克環(huán)

　　最近，美國俄克拉荷馬大學(xué)科學(xué)家提出，石墨烯可能還有一類(lèi)三維的異型體，它們屬于一個(gè)新家族。這些結構有可能在實(shí)驗中合成，其中最簡(jiǎn)單的“超蜂窩”結構擁有許多不尋常的性質(zhì)，可能比金剛石更穩定。相關(guān)論文發(fā)表在最近的《物理評論快報》上。

　　石墨烯是一種單層六角形的2D結構，每個(gè)碳原子與其他3個(gè)碳原子相連。這種“平面三角連接”賦予它許多獨特的屬性，尤其是電學(xué)性質(zhì)，使其成為一種卓越的半導體材料。石墨烯的三角連接會(huì )產(chǎn)生不尋常的現象：造成電子的能量隨其動(dòng)量呈線(xiàn)性變化，使電子出現類(lèi)似接近光速運動(dòng)的行為。迪拉克方程描述了這種相對論電子，所以電子產(chǎn)生這種行為時(shí)的動(dòng)量值被稱(chēng)為“迪拉克點(diǎn)”。大部分材料結構都沒(méi)有迪拉克點(diǎn)。這種線(xiàn)性行為會(huì )大大影響電子分布和它們與晶格振動(dòng)之間的相互作用。

　　研究人員想知道，把碳基平面三角結構上的迪拉克點(diǎn)擴展到三維空間，形成迪拉克環(huán)會(huì )怎樣。實(shí)驗中至今尚未觀(guān)察到迪拉克環(huán)，只是預測其存在于少數精微材料中。分析認為，當三角連接碳原子鏈互相垂直堆疊時(shí)，理論上可以形成迪拉克環(huán)。這種排列不同于石墨，石墨雖然也是3D結構，但是一層層堆疊的。而垂直堆疊鏈有許多不同的維度，因為蜂窩六角形在垂直和水平結合方式上有多種可能。如最簡(jiǎn)單的超蜂窩結構，只有兩個(gè)碳原子互相垂直組成，其晶格有點(diǎn)像微小的雙面書(shū)架。

　　俄克拉荷馬大學(xué)基蘭·穆倫說(shuō)：“我們的研究有兩層含義。首先，這是第一個(gè)展示迪拉克環(huán)的簡(jiǎn)單系統。迪拉克環(huán)是電子系統中尚未見(jiàn)到的一種性質(zhì)，對電子流經(jīng)系統的方式以及它們在磁場(chǎng)中的行為都有很大影響。其次，這一系統會(huì )帶來(lái)許多相關(guān)系統，有些是其他碳結構，有些是類(lèi)似的不同物理系統，如冷氣體原子的光學(xué)晶格，還可能發(fā)現更多不尋常的性質(zhì)。”

　　3D結構可能會(huì )讓超蜂窩同素異形體極其穩定，甚至超過(guò)金剛石和石墨。穆倫說(shuō)：“我們正在嘗試計算其硬度(拉伸性)和強度(抗斷裂性)。”他們預計，要合成這種碳同素異形體新家族是個(gè)很大挑戰，但用目前的技術(shù)也是可能的。