（大公報記者 湯嘉平　文 澔）石墨烯自2004年被發現以來，被視為21世紀最高端的材料之一。作為現今世上最薄、強度最大、導熱性能最強的超級材料，近年來成為量子科學家爭相研究的「寵兒」。石墨烯是一種拓撲材料，其奇特性質，大多來源於其拓撲的「狄拉克錐」。

香港科技大學物理學系的溫維佳教授及吳肖肖博士表示，全球首次發現石墨烯等新材料中的「第二類狄拉克錐」的普適產生機制，並在聲學實驗中實現了該材料的許多奇特性質，改變了過往只能在苛刻條件下零星獲得該材料的窘況。該機制的發現，將為現代電子通訊、量子計算、光學通信，甚至隔音減噪材料等方面帶來重大應用價值。

石墨烯是一種平面單層緊密打包成一個二維（2D）蜂窩晶格的碳原子，並且是所有其他維度的石墨材料的基本構建模塊。溫維佳教授說，石墨烯是納米量級的材料，比人類的頭髮絲還小，它的奇特性質大多來源於其拓撲的「狄拉克錐」。但石墨烯中的「狄拉克錐」，屬於理論預言中的「第一類狄拉克錐」。而理論預言中更加獨特的「第二類狄拉克錐」，由於對外界信號的響應具有「第一類狄拉克錐」所不具備的極強的方向性，將會為電子器件的開發與應用帶來更加廣闊的可能。然而，到目前為止，「第二類狄拉克錐」只能在一些材料中零星地找到，缺乏系統的生成機理。

電子「齊向前」效率更高

吳肖肖博士介紹道，是次他們的成果，就是發現了「第一類狄拉克錐」（下稱「第一類」）之外的「第二類狄拉克錐」（下稱「第二類」）的系統生成機理，也就是怎麼生成「第二類」。吳博士在白板上畫出了石墨烯的結構，即多個類似蜂窩的六邊形圖案。他說，每條邊交匯成的格點，都是碳原子，裏面還有電子。這些電子在石墨烯中傳導的時候，速度和能量的關係就呈現一種交叉的形狀（見圖2），被稱為狄拉克錐。他說，電子在狄拉克錐中，有的會向前遊走，有的會向後遊走，這也就是「第一類」。而最理想的狀態，就是需要電子朝單向傳輸，往一個方向走，不要回頭。「因為回來可能還會碰到一些晶格，要跟它碰撞、發熱，要消耗能量，就是所謂的電阻大。所以都往前面走最好。」吳博士說，「第二類」就是電子都往前走，只是有的走得快，有的走得慢而已。與「第一類」的性質相比，「第二類」電阻更小，電能轉化效率也更高。

「第二類」是在「第一類」的基礎上，通過使傾斜效應佔主導而得（見圖3），這把原本對稱的電子流動變得不對稱。之前科學家在石墨烯裏面做的時候，需要用一個很大的力去拉石墨烯薄膜，但對於實踐應用就很難。「你不可能在真正做器件的時候，始終保持這麼大一個薄膜，始終保持一個那麼大的拉力，那怎麼辦呢？所以我們就需要設計一個新的方案，讓這個電子在裏面傳播的時候，更加容易形成一種『傾斜』。」吳博士續說，電子和聲音有一個類似的地方，即都是通過波來傳播，兩者原理相同。所以，若是利用聲波做實驗，發現能驗證到結論，反推到電子傳播上，也是成立的。

聲學已驗證 操作性更強

於是乎，溫教授團隊利用3D列印的具有周期排列的孔陣的聲學樣品（見圖1），用聲學共振態去模擬電子的行為。「我們在研究過程中發現，我們只要讓電子在同一個方向躍遷的時候，只要讓它們產生兩種不同的躍遷強度，就比如是t1、t2兩種不一樣的躍遷強度，那麼就很容易地得到這種第二類狄拉克錐，也是我們想要的狄拉克錐。」吳博士說，反推到電子上，只要是設計成這樣的方案，類比來說，就是讓兩個電子同時用t0的速度往前跑，即所謂的能帶摺疊，再讓它們跑得速度不一樣，一個變小成t1，一個變大成t2，就容易形成一種強烈的「傾斜」效應，就可以得到第二類狄拉克錐。溫教授團隊在聲學樣品裏，成功驗證了這一原理。

溫維佳教授補充道，這個實驗方案較原先給石墨烯加壓力的方案，更加簡易，操作性更強。而本次實驗的成功，為研發一種電阻更小的電子材料奠定基礎。「電阻變小，被消耗掉的能量就變小，你的芯片也就不會那麼容易發熱。換句話說，假設一部手機，你現在充一次電可以用一天，以後如果有了電阻更小的材料，那你就可能充一次電用10天、20天。」據悉，是次溫教授團隊的研究結果，已發布在物理學著名國際期刊《物理評論快報》。