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石墨烯：超導天賦被激發，有望用于分子電子設備

2017-02-27 11:35:03 作者：本網整理來源：埃米石墨烯分享至：

石墨烯，是世界范圍內最為廣泛研究的一種材料。結構上，它是一層六角形蜂巢結構組成的碳原子薄片。作為一種新型材料，它具有多種優異特性例如「高強度」、「超輕薄」、「不透水」、「導電導熱性能好」、「柔韌性好」。

    但是，石墨烯的超導性天賦，被埋沒了很久。自從2004年石墨烯問世以來，科學家們就推測石墨烯也具有成為超導體的天賦。可是到目前為止，石墨烯超導特性的實現過程，還是通過將其摻雜或者放入到超導材料中。但是，這種工藝會損害石墨烯其他方面的特性。然而，在一項新研究中，劍橋大學的研究人員憑借石墨烯本身的特性，激發了石墨烯在超導方面的天賦，這一過程是通過將其和一種稱為“鐠銅鈰氧化物”（PCCO）的材料相結合。

    這項研究由劍橋大學圣約翰學院的 Angelo Di Bernardo 博士和 Jason Robinson 博士領導，合作伙伴包括劍橋石墨烯中心的 Andrea Ferrari 教授、耶路撒冷希伯來大學的 Oded Millo 教授，位于特隆赫姆的挪威科技大學 Jacob Linder 教授。對于，石墨烯超導性方面的研究，科學家們一直都有一些推測，特別是在特定的條件下激發石墨烯超導方面的天賦。根據 Robinson 的說法：

    “很長時間以來，研究人員都在推測在正確的條件下，石墨烯會轉變為超導體，但是一直卻無法做到。這個實驗的想法是：如果將石墨烯和超導體聯合，我們能夠開啟其內在的超導性嗎？然后，問題就變成了：你怎么知道你看見的超導性是來自石墨烯本身，而不是作為其基礎的超導體？”

    之前科學家們也進行了一些相關的石墨烯超導性研究，Di Bernardo 說：

    “之前的研究采用了類似的方法例如利用金屬類超導體，但是成效甚微。將石墨烯放置在金屬上，可以戲劇化地改變它的屬性。在技術上它的工作方式超出了我們的預料。你看到的將不再是石墨烯的內在超導性，而是作為其基礎的超導體的超導性。”

    根據專家的說法，研究所需要解決的核心問題，主要來自以下兩點：

    第一，使用材料激發石墨烯內在的超導性。

    第二，證明超導性來自石墨烯，而不是激發用的材料。

摻雜PCCO材料的石墨烯在掃描隧道顯微鏡下的圖像

（圖片來源于：劍橋大學）

    所以，研究人員在他們自己的研究中使用到了PCCO材料，它是“銅氧化物”一類的氧化物中的一種，也具有很好電子特性。科研人員通過掃描隧道顯微鏡技術，可以區分出PCCO中的超導體性和石墨烯內部觀察到的超導性。超導性的特征在于電子交互的方式：在超導體中，電子呈對出現，一對電子之間的自旋排列會由于其涉及的超導類型或者說是“對稱性”，而變得不同。例如，在PCCO中，一對電子的自旋狀態是未對齊的（反平行的），這種被稱為“D波狀態”。

    相比之下，當石墨烯和超導性的PCCO在試驗中聯合到一起，結論顯示石墨烯中的電子對呈P波狀態。所以，Robinson 說：

    “換句話說，我們在石墨烯中看到了和PCCO中完全不同類型的超導性。這是十分重要的一步，因為它表明超導性不是來自其外部，所以PCCO只是用于激發石墨烯內在的超導性。”

    對于研究團隊到底激活的是哪種超導性，目前尚不清楚，但是它們的結論強烈地表明：這是種神秘的“P波”形式。因此，研究將轉變為關于這種神秘類型的超導性是否存在的爭論。如果是存在，那么它到底是什么？

    1994年，日本研究人員使用一種稱為“鍶釕”（SRO）的材料，制造了自旋三重態超導體，它能夠具有一種P波對稱性。SRO的P波對稱性一直未得到完全驗證，其中一部分的挑戰來源于：SRO是一種龐大的晶體，難以制造成驗證理論預言的設備類型。

    所以，未來石墨烯超導體的應用可能主要來自兩方面。首先，石墨烯可用于高速運算的新型超導量子設備和分子電子設備。其次，它也可用于證明一種神秘形式的超導電性即“p波”超導電性。學者們為了驗證這種超導性，已經花費了超過20年的時間。

    Robinson 認為：

    “如果P波超導體確實是在石墨烯內部創建，石墨烯可以成為創建和開發一個全新超導設備的基礎，這些超導設備將用于基礎科學和應用研究領域。這樣實驗必然會帶來新的科學發現，讓我們更好的理解P波超導性，以及它在不同設備和設置條件下的工作方式。”

    這項研究還具有更進一步的暗示。例如，它揭示了石墨烯能夠制造超導體電路中的類晶體管設備，并且它的超導性可以被納入分子電子學范疇。

    所以，Di Bernardo 補充道：

    “總體上說，因為各種類型的化學分子都可以綁定在石墨烯表面，這項研究可以促進基于石墨烯的、功能新穎的分子電子設備的開發。”