什么是石墨烯？有什么特殊的性质？有什么实际用途？石墨烯的性质是什么？石墨烯和量子力学之间的关系是什么。

事实上，石墨烯的秘密隐藏在你使用的铅笔头里。只要你用铅笔画一条线，你就会从铅笔中释放出一些柔软的银灰色纯碳，它是由一些重叠的碳原子组成的。如果你能分离这些重叠的碳原子，得到一层只有一个原子厚的碳膜，你就能得到石墨烯。

上述工作也是曾经获得诺贝尔物理学奖的曼彻斯特大学的安德烈·吉姆和斯特拉·诺沃塞洛夫的工作。事实上，从事这项工作的人很多，但只有他们成功了，他们使用的方法非常直接和巧妙，即用胶带分离石墨的层状结构，最后得到一层石墨烯，它只由一层碳原子组成。它的厚度只有0.335nm，300万块这样的材料只有1mm厚。

因为石墨烯是从石墨中获得的，具有烯烃的基本特征——碳原子间的双键，所以被称为石墨烯。现在让我们想象一下石墨烯是什么样子。它是微观世界中的单层网络。每个网是一个完美的六边形，每个关节是一个碳原子。因为这个网只有一个原子厚，它几乎没有高度，只有长度和宽度，也就是说，它是二维的，而不是三维的。简而言之，石墨烯是一种二维碳，是人类已知的最薄的材料。

在得到石墨烯之后，吉姆和诺沃塞洛夫急切地想知道石墨烯的性质。他们测量了石墨烯的电学行为。正如他们所料，石墨烯是导电的。他们开始对石墨烯做进一步的研究，所以事情变得越来越有趣了起来。在大多数情况下，电子在导体中的运动是无序的。它们碰撞并随机滚动，很像游戏机中的弹珠，因为导体晶格中的杂质阻碍了它们的前进。然而，吉姆和诺沃塞洛夫发现石墨烯并不是这样的。在石墨烯中，电子移动很长的距离，在碰撞中不容易分散。为什么石墨烯能做到这一点？吉姆推测这可能与它们近乎完美的原子结构有关。

此外，石墨烯中的电子运动速度很高，因此在其他导体中从未见过电子的高速运动。电子相互作用，这种相互作用的量子实体又称为准粒子。吉姆的团队发现，在石墨烯中，准粒子的运动接近光速，这让他们感到惊讶。一般来说，这种高速运动只能发生在某些极端环境中，比如中子星附近，或者恒星大爆炸中。

只有在这种情况下，粒子才能加速到如此高的速度。这种高速的粒子运动也正是物理学家们非常羡慕的。为了达到这个速度，他们依靠粒子加速器。然而，现在人们在石墨烯中看到了这种运动，这意味着仅仅使用石墨烯就能探索一些奇妙的物理现象了。

石墨烯的使用有望探索一种叫做“狄拉克震颤”的现象，这是一种快速震颤运动，最初由英国物理学家保罗·狄拉克提出。该理论将量子力学与狭义相对论相结合来描述快速运动的粒子。狄拉克预言，当这样一个运动的粒子从一个点移动到另一个点时，它的路径不是一条直线，而是“颤抖”，因为这些粒子有很大的能量，所以它们会产生反粒子。在电子的情况下，产生的反粒子是正电子。由于反粒子与原始粒子的相互作用，它们的运动轨迹发生波动，产生了“狄拉克震颤”。

但“狄拉克震颤”的速度太快，很难看到这种运动，但吉姆说，类似的现象可以发生在石墨烯中，而且可以测量，因为在石墨烯中，由于所谓的“粒子海”中的“洞”，粒子“震颤”的振幅约为100纳米。吉姆相信用高分辨率显微镜，这种运动是可以观察到的。

在接近光速的粒子运动中，“狄拉克震颤”并不是唯一可以预测的量子力学现象。1929年，瑞典物理学家奥斯卡·克莱因预言了另一个奇妙的量子力学现象。他认为，在量子世界中，即使微粒子的总能量小于势垒高度，这些粒子仍然可以穿过势垒，这也被称为“量子隧穿效应”。

为了理解，让我们想象一堵墙，这就是所谓的“屏障”，然后想象我们朝着墙踢足球，这就是所谓的“粒子”。日常经验告诉我们，足球会被这堵墙反弹回来，但在量子世界里，“足球”很可能出现在“墙”的另一边！这就是“克莱因效应”，又称“克莱因悖论”。换句话说，在量子世界中，粒子可以忽略阻挡它们前进的“墙”，即屏障。

为什么？原因在于前面提到的“狄拉克震颤”。因为粒子有很高的能量，它们在“壁”中产生反粒子。这些反粒子“穿过墙”，并在墙的另一边复制原始粒子。因为在反粒子看来，现实世界的山脉会变成山谷，反粒子很容易通过反物质世界的“山谷”到达屏障的另一边，所以看起来它们直接穿过“墙”，就好像“墙”根本不存在一样。

吉姆和他的同事认为，如果在狭长的石墨烯材料上形成“势垒”，并施加电场，他们可能会目睹“准粒子”穿过“势垒”的过程。

可以想见，石墨烯不仅是材料科学家的最爱“宠儿”，而且在理论物理中也会有很大的应用。