正是好年华

( 安德烈·盖姆（左）与康斯坦丁·诺沃肖罗夫 )

打开英国曼彻斯特大学安德烈·盖姆（Andre Geim）教授的主页，让我觉得有点好笑。盖姆教授大大方方地在他的个人奖项栏目中列出了自己在2000年获得的搞笑诺贝尔奖（Ig Nobel Prizes），这个奖项是由一群喜欢恶作剧的哈佛大学和麻省理工学院的学生创立的，充满了讽刺意味，盖姆教授当年通过研究利用磁悬浮技术使一只青蛙浮在空中而获得此奖也算得上实至名归。他当年还认真准备了一番去哈佛大学领奖，之后又列在自己的个人主页上，显得自信满溢，毫不挂怀。在他个人的奖项中，最新荣誉是获得了2010年诺贝尔物理奖，因为在2004年首次制造出石墨烯（Graphene）而和他的同事也是从前的学生康斯坦丁·诺沃肖罗夫（Konstantin Novoselov）共同得奖，盖姆教授也因此成为第一个同时获得过搞笑诺贝尔奖和诺贝尔奖的科学家。36岁的康斯坦丁·诺沃肖罗夫在荷兰随盖姆教授获得了博士学位，之后又随老师来到曼彻斯特，正处于一个科学家的好年华。他在获奖前甚至还没有得到曼彻斯特大学的教职，只有一个研究员的职位，在颁奖时被称为教授，当然就顺理成章得到了教授的职位。

得知这两位获得2010年诺贝尔物理奖的时候，我正在剑桥大学半导体物理实验室，心里虽然高兴却又带点同行之间的嫉妒。翻开这两个人2004年发表在《自然》杂志上、让他们后来得到诺贝尔奖的那篇论文，描述了他们得到石墨烯的过程。文中提到的实验仪器也都是我经常在实验室里用到的，但是我得承认，我从来没想过拿透明胶带去做实验——正是透明胶带成为这两人成功的关键。石墨由多层石墨烯构成，石墨烯是一种质地紧密强韧的材料，但是每一层石墨烯之间的联系却不紧密，因此，如何剥离石墨表层最终只留下一层石墨烯则成为实验的关键。在与美国哥伦比亚大学一个研究小组首先得到石墨烯的竞争中，哥伦比亚大学的小组试图通过原子力显微镜（AFM）来剥离多层的石墨，而盖姆教授他们则选择了随手可得的透明胶带，每在石墨上面粘一下就会剥离几层，最终就会得到单层的石墨烯，这个方法无疑显得有点“山寨”，但是更有效。

研究成果仅经过6年就得到了诺贝尔委员会的承认，这种情况并不多见，这也说明了石墨烯的重大意义。描述石墨烯并不困难，它完全由碳元素构成，只有一个原子的厚度，因此它是一种二维（2D）材料。每个碳原子与它周围的三个碳原子相连接，所以整个石墨烯由漂亮的六边形构成。石墨是人们最常用的材料之一，但是这种单层的石墨烯如同很多之前没有发现过的新奇材料一样，在被发现前也有很多人预测它是不存在的。

欧洲人习惯把不存在的事物称为“黑天鹅”，欧洲以前只有白天鹅，因此欧洲人认为黑天鹅是不存在的。直到17世纪探险家们在澳大利亚真的发现了黑天鹅，他们这才傻了眼。也许之前预言石墨烯不存在的科学家们第一次见到石墨烯时，与当时第一个见到黑天鹅的探险家心情相同。对于石墨烯的理论研究已经有70多年的历史，但是著名的物理学家朗道（Landau）和佩叶尔斯（Peierls）曾经预言，单层的石墨因为热动力学上的不稳定不可能稳定地存在。他们认为因为热扰动，材料越薄，其熔点就会相应迅速降低，只有在绝对零度的条件下，单层石墨才可以稳定存在。直到2004年，稳定的石墨烯和另外几种单层材料被制造了出来，才又产生了新的物理学来解释这些现象。而且人们发现了石墨烯展现出来的很多令人着迷的特性，这让很多人称它是“奇迹材料”，或认为它是替代硅的材料。对此盖姆教授并不太在意，他认为，得到石墨烯最大的意义就在于其本身，正如当年同样在曼彻斯特大学物理系的卢瑟福因为发现原子裂变而获得诺贝尔奖一样——并不是因为这个发现可以让人类造出核电站，而是因为这个发现本身。对于石墨烯的应用，盖姆教授认为它就像是塑料，将会被用在人类生活的方方面面。

因为碳原子有4个外层原子，在石墨烯中每个碳原子与周围3个相邻的碳原子相连，这样便多出一个相对自由的电子，碳原子键很牢固且可以扭动，这样便构成了石墨烯很多令人惊讶的特性。正如在诺贝尔颁奖致辞中所描述的：作为一种完全新颖的材料，它不仅是最薄的，而且也是最结实的。它的导电性与铜一样，而它的导热性能比其他任何已知的材料都要好。它几乎是完全透明的，但是又非常致密，即使是最小的气体原子——氦原子也无法通过。地球上一切生命形式的基础——碳，又一次使我们无比惊讶。盖姆教授的描述则直截了当：1克透明的石墨烯就可以覆盖好几个足球场！你知道，在曼彻斯特，我们习惯用足球场作为面积单位。

随着石墨烯逐渐可以大规模生产，这几年来科学家们对它的研究越来越多，加上2010年获得了诺贝尔物理学奖，石墨烯研究进入了最好的时代。自从2004年以来，已经发表了5000多篇关于它的论文。不光是科学界，工业界也对它垂涎三尺，希望能早日投入使用。当年因为在研发触摸屏手机中落后一步而失掉大量市场份额的诺基亚公司，早就摩拳擦掌建立了好几个研究石墨烯的实验室，他们希望可以通过利用石墨烯的特殊性能，制造出可以随意卷曲的手机。2010年，IBM公司的华生研究中心的科学家曾经研究出可以工作在100G赫兹条件下的石墨烯器件，这差不多是同样尺寸的硅器件效率的两倍；紧接着，在2010年9月，美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）的研究小组声称用石墨烯制造出了世界上最快的石墨烯场效应晶体管（FET），这种器件可以工作在300G赫兹的环境中。但是同样在IBM实验室工作的科学家凯斯·詹金斯（Keith Jenkins）说：“石墨烯器件本身是很好的，但是如果你不把它连接到什么东西上，它就没什么用处。”紧接着，在2011年6月，IBM的研究者们花了一年时间，终于在一块碳化硅晶片上，用石墨烯器件结合金属制造出了世界上第一个石墨烯集成电路，这个成果发表在《科学》杂志上。

因石墨烯获得诺贝尔物理学奖的盖姆教授也在研究石墨烯的新物理特性，他认为，可以利用石墨烯展现的新物理学制造一种“自旋电子器件”。传统由硅制成的芯片通过电势的高低来表示二进制的“1”和“0”，但是这种芯片和表达形式存在一个极限，因为电流会产生大量热量，使得越小的芯片受到的影响越大。自旋电子器件不光利用电子的电量，同时也利用电子的自旋——向上或是向下来传递信息，这样可以使芯片更小，并且运转速度更快。在实际中，很难制造出器件可以同时注入、处理和阅读电子的自旋流，一个途径是结合半导体和磁性材料，通过磁性材料注入自旋极化电流，流向半导体材料，但是使两种材料可以相互兼容则非常困难。盖姆教授发现石墨烯可以同时满足这几个条件，成为理想的实验对象。

盖姆教授和他的同事们在石墨烯上两个相距1微米的电极之间形成了电流，然后在距离这两个电极大约10微米的区域测量当地的电压。在其他材料中，测量的电压应该非常接近于“0”，因为在远离两个电极的地方的电流应该极其微小。但是研究者们发现，当他们穿越石墨烯施加一个磁场的时候，得到了一个相当大的电压。研究者们认为，这就是自旋流存在的证据。他们认为，是外加的磁场使电子向上和向下的自旋出现了不平衡。来自麻省理工学院的雷奥尼·列维托夫（Leonid Levitov）解释说，外加的磁场尽管没有产生净电流，但是它产生了一个自旋流，正如电流在天线中运动会产生电磁场，从而在远处的天线也会受到感应而产生电流一样，因电压和磁场而产生的自旋流会在远处产生感应电压，这也正是研究者们在远处测得高电压的原因。盖姆教授承认，这项研究的实际应用会很小，因为很难在器件外随时产生一个外加磁场，但是他相信，石墨烯可以产生格外强大并且持久的自旋流，因而不需要外加磁场。

碳作为地球上常见的元素，展现出来的性质却如此神奇。石墨烯作为二维的材料，如果卷成一个圆球，则会变成同样具有超常特性的零维的富勒烯；若是把它卷成一个卷，则会变成纳米研究的另外一个热门材料，一维的碳纳米管。从钻石开始，这些碳的同素异形体物质带给人们的就是无尽的渴望，研究石墨烯的好时代才刚刚开始。■（文 / 苗千） 正是好年华