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1707613260 盖姆(Andre Geim):荷兰籍俄裔物理学家,1958年10月1日出生于俄国城市索契(Sochi),1987年获俄国科学院固体物理研究所博士学位。自1990年起,盖姆先后在英国诺丁汉大学(University of Nottingham)、丹麦哥本哈根大学(University of Copenhagen)、英国巴斯大学(University of Bath)、荷兰内梅亨大学(Radboud University Nijmegen)等地工作过。2001年,盖姆成为英国曼彻斯特大学(University of Manchester)物理学教授,并于2002年起担任曼彻斯特介观科学及纳米技术中心(Manchester Centre for Mesoscience and Nanotechnology)主任。 诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov):拥有俄罗斯及英国双重国籍的物理学家,1974年8月23日出生于俄国城市尼茨塔吉尔(NizhnyTagil),2004年获荷兰内梅亨大学博士学位。诺沃肖洛夫是盖姆的学生及长期合作者,自2001年起,与盖姆一起在英国曼彻斯特大学工作。诺沃肖洛夫是自1973年以来最年轻的诺贝尔物理学奖得主。 2010年10月11日写于纽约
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1707613262 [1]本文曾发表于《科学画报》2010年第11期(上海科学技术出版社出版)。
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1707613264 [2]石墨每一层上的碳原子间距约为0.142纳米,层与层的间距则为0.335纳米,后者是依靠微弱的范德瓦耳斯力(van der Vaals force)结合起来的,因而是松散的堆砌。
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1707613266 [3]当然,这里所谓的“二维”不是几何上的二维,而仅仅是指垂直方向上的物理自由度可以忽略的情形。
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1707613268 [4]不过那种球状或柱状的结构对于石墨烯的制备来说虽是“麻烦制造者”,本身却都是绝顶的好东西:前者是所谓的富勒烯(fullerene),它的发现者获得了1996年的诺贝尔化学奖;后者则是大名鼎鼎的纳米管(nanotube),也是一种令人着迷的新材料。
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1707613270 [5]盖姆曾经因为在这种“星期五之夜实验”中进行过“磁悬浮青蛙”实验,而获得了2000年的搞笑诺贝尔物理学奖(Ig Nobel Prize in Physics)。他是迄今唯一一位同时获得过搞笑诺贝尔奖和诺贝尔奖的人。
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1707613272 [6]有读者可能会问:既然朗道曾经证明过二维材料的涨落会破坏物质结构,怎么还可能制备出石墨烯呢?答案是,朗道的证明是针对大面积(理论上是无穷大)的体系的,而人们最初制备的石墨烯只有几平方微米。另一方面,朗道的证明考虑的是严格的平面,而真实的石墨烯会在三维空间里波动,从而耗散掉一部分涨落能量。因此石墨烯的出现虽然出人意料,却不是不可理解的。
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1707613274 [7]制备石墨烯——尤其是大样品——的难度还可以从另一个角度来印证,那就是石墨烯的价格。直到2008年4月,石墨烯的价格依然高到令人瞠目的每平方厘米一亿美元,堪称史上最贵的材料。不过最近两年,人们制备石墨烯的能力已突飞猛进,最大样品的线度已超过70厘米,价格也已暴跌(因此千万不要囤积石墨烯,它很重要,但绝不可能使你发财)。
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1707613276 [8]确切地说,那并非电子,而是电子与石墨烯晶格相互作用所产生的准粒子(quasiparticle),是石墨烯的低能激发态。
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1707613278 [9]石墨烯的这个透光率(对应于吸收率2.3%)是一个漂亮的理论结果,精确公式为(1+πα/2)-2,其中α(≈1/137)是所谓的精细结构常数。很多媒体引用的是这一公式的近似式:1-πα。
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1707613280 [10]IBM所宣称的1000亿赫兹其实是“适度浮夸”的结果,实际试验中所达到的频率约为300亿赫兹。
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1707613285 因为星星在那里:科学殿堂的砖与瓦 [:1707611307]
1707613286 因为星星在那里:科学殿堂的砖与瓦 囚禁的量子,开放的应用[1]
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1707613288 2012年10月9日,一位68岁的法国老人与妻子在街头散步,当他们路过一条街边的长椅时,电话忽然响起,老人被告知获得了诺贝尔物理学奖。同样被“搅扰”的还有大西洋彼岸的一位也是68岁的美国老人,电话响起时他还在睡梦中,但无论什么梦也没有电话里的消息更美:他也获得了诺贝尔物理学奖。
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1707613290 这两位天各一方,但恰巧同岁的老人分别是法国物理学家阿罗什(Serge Haroche)和美国物理学家维因兰德(David Wineland),之所以获奖,是因为他们实现了“使得对单个量子体系的测量与操控成为可能的突破性实验方法”(for ground-breaking experimental methods that enable measuring and manipulation of individual quantum systems)。他们将共同分享崇高的荣誉,以及虽因金融危机而缩水,但数量依然可观的800万瑞典克朗(约合110万美元)的奖金[2]。
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1707613292 在本文中,我们将对这两位物理学家的工作及其意义作一个简单介绍。
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1707613298 因为星星在那里:科学殿堂的砖与瓦 一、小有小的麻烦
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1707613301 美国物理学家费恩曼曾以一个有趣的问题作为《费恩曼物理学讲义》(The Feynman Lectures on Physics)的开篇,那就是:假如因为某种灾变,在所有科学知识中只有一句话能传之于后代,什么话能用最少的文字包含最多的信息?费恩曼认为,那应该是所谓的“原子假设”,即所有物质都是由原子组成的[3]。不过,这句话包含的信息虽多,要想破译却并不容易。事实上,早在两千多年前的古希腊就有先贤猜测过物质是由原子组成的(“原子”一词的英文atom就来自希腊文,含义为“不可分割的”),但直到18世纪才开始有了现代意义下的原子理论,而原子的真正奥秘,则直到20世纪才开始揭晓。
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1707613303 为什么呢?因为原子实在太小了,既看不见,也摸不着。
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1707613305 如今我们知道,原子并非是“不可分割的”,它由更基本的粒子所组成,并且与那些粒子一样,遵守一种被称为量子力学(quantum mechanics)的奇妙规律。这种规律与我们习以为常的宏观世界的规律完全不同,在发现之初曾带给物理学家们极大的震动。直到很多年后,当那种规律逐渐褪去新鲜的外衣,甚至已变成物理系学生的常识时,想在最直接的意义上体验它们仍是极为困难的事情。
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1707613307 为什么呢?依然是因为原子实在太小了,既看不见,也摸不着。
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1707613309 由于这一原因,物理学家们对原子——或者更一般的,对量子体系——的很多观测都不是针对单个原子(或量子体系)的。比如他们观测的原子光谱乃是由很多原子共同发射的。而在有条件观测单个原子(或量子体系)的实验中,由于观测对象太小,往往观测一结束,观测对象本身也就“人间蒸发”或“香消玉殒”了,比如用云室或气泡室(这两者的发明者分别获得了1927年和1960年的诺贝尔物理学奖)观测粒子,或用照相设备观测光子就都是如此。
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