石墨烯革命的物理学，将改变我们的生活方式(2)

一般蜂窝状晶格的图解。

在像石墨烯这样的蜂窝晶格上，有两种“类型”的晶格点，我们称之为A子晶格和B子晶格。任何电子状态都可以被认为是A和B的叠加，我们可以把这种行为称为赝自旋，就像我们处理电子自旋一样。例如，A位上的电子可以认为是自旋向上的，而B位上的电子可以认为是自旋向下的。

重要的是，对于石墨烯中携带电流的电子，这种赝自旋取决于群速度的方向。在K点附近，群速度为正的电子自旋向上，而群速度为负的电子自旋向下。这种自旋和速度的耦合被称为手性，我们可以把它看作是电子在A位点上以正方向运动，在B位点上以负方向运动。

蜂窝晶格的K点附近的色散关系与每个带的赝自旋，这里表示为左和右，而不是上和下。

那么，当手性电子遇到散射体时会发生什么呢？为了让它向后散射，需要翻转这个伪自旋，因为群速度改变了符号。换句话说，后向散射需要从A子格移动到B子格，这在大多数情况下是不可能的。因此，我们看到完全的后向散射的抑制，以及所有散射的整体抑制。

因此，石墨烯中的电子可以在不发生散射的情况下移动微米的距离。这种行为被称为弹道传输，这种减少的散射确保了石墨烯中传导电子速度的全部功率能够承受。

影响材料导电性的最后一个因素就是材料内传导电子的密度，即载流子密度。携带电荷的是电子，所以移动的电子越多，相应的电流就越大。在石墨烯中，我们可以通过掺杂来控制这个量。在这种情况下，磷或氮等原子可以提供两个电子来导电，而碳原子只有一个，它们可以取代晶格中的一些碳原子来增加可用电子的数量来携带电流。

尽管石墨烯的载流子密度永远不可能像大多数金属那样高，但它的导电性仍然是显著的。它的理论导电性极限比最著名的金属导体银的导电性高一百万倍。事实上，石墨烯样品的导电性往往受到其所附着材料相互作用的限制，而不是石墨烯本身的特性。

即便如此，对于像石墨烯这样轻的材料来说，展现出如此强的导电性是非常令人兴奋的。例如，新能源车的主要障碍之一就是锂离子电池的重量，这极大地限制了电动交通工具的行驶里程。目前石墨烯电池的效率要高出一个数量级，其能量质量比为1000 Wh/kg，而锂离子电池为180 Wh/kg。

在全球陷入气候危机时，能源效率是一个重要的目标。更高效的导体，如石墨烯，室温超导体等都有能力在传输能量时减少能量损失。这可能是对抗日益严重的气候灾害的众多必要措施之一。

文章来源：《中国医学物理学杂志》 网址: http://www.zgyxwlxzz.cn/zonghexinwen/2021/0623/581.html