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石墨烯：超導(dǎo)天賦被激發(fā)，有望用于分子電子設(shè)備

2017-02-27 11:35:03 作者：本網(wǎng)整理來(lái)源：埃米石墨烯分享至：

石墨烯，是世界范圍內(nèi)最為廣泛研究的一種材料。結(jié)構(gòu)上，它是一層六角形蜂巢結(jié)構(gòu)組成的碳原子薄片。作為一種新型材料，它具有多種優(yōu)異特性例如「高強(qiáng)度」、「超輕薄」、「不透水」、「導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好」、「柔韌性好」。

    但是，石墨烯的超導(dǎo)性天賦，被埋沒了很久。自從2004年石墨烯問(wèn)世以來(lái)，科學(xué)家們就推測(cè)石墨烯也具有成為超導(dǎo)體的天賦。可是到目前為止，石墨烯超導(dǎo)特性的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，還是通過(guò)將其摻雜或者放入到超導(dǎo)材料中。但是，這種工藝會(huì)損害石墨烯其他方面的特性。然而，在一項(xiàng)新研究中，劍橋大學(xué)的研究人員憑借石墨烯本身的特性，激發(fā)了石墨烯在超導(dǎo)方面的天賦，這一過(guò)程是通過(guò)將其和一種稱為“鐠銅鈰氧化物”（PCCO）的材料相結(jié)合。

    這項(xiàng)研究由劍橋大學(xué)圣約翰學(xué)院的 Angelo Di Bernardo 博士和 Jason Robinson 博士領(lǐng)導(dǎo)，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(lái)大學(xué)的 Oded Millo 教授，位于特隆赫姆的挪威科技大學(xué) Jacob Linder 教授。對(duì)于，石墨烯超導(dǎo)性方面的研究，科學(xué)家們一直都有一些推測(cè)，特別是在特定的條件下激發(fā)石墨烯超導(dǎo)方面的天賦。根據(jù) Robinson 的說(shuō)法：

    “很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，研究人員都在推測(cè)在正確的條件下，石墨烯會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)體，但是一直卻無(wú)法做到。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的想法是：如果將石墨烯和超導(dǎo)體聯(lián)合，我們能夠開啟其內(nèi)在的超導(dǎo)性嗎？然后，問(wèn)題就變成了：你怎么知道你看見的超導(dǎo)性是來(lái)自石墨烯本身，而不是作為其基礎(chǔ)的超導(dǎo)體？”

    之前科學(xué)家們也進(jìn)行了一些相關(guān)的石墨烯超導(dǎo)性研究，Di Bernardo 說(shuō)：

    “之前的研究采用了類似的方法例如利用金屬類超導(dǎo)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(shù)上它的工作方式超出了我們的預(yù)料。你看到的將不再是石墨烯的內(nèi)在超導(dǎo)性，而是作為其基礎(chǔ)的超導(dǎo)體的超導(dǎo)性。”

    根據(jù)專家的說(shuō)法，研究所需要解決的核心問(wèn)題，主要來(lái)自以下兩點(diǎn)：

    第一，使用材料激發(fā)石墨烯內(nèi)在的超導(dǎo)性。

    第二，證明超導(dǎo)性來(lái)自石墨烯，而不是激發(fā)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(lái)源于：劍橋大學(xué)）

    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(guò)掃描隧道顯微鏡技術(shù)，可以區(qū)分出PCCO中的超導(dǎo)體性和石墨烯內(nèi)部觀察到的超導(dǎo)性。超導(dǎo)性的特征在于電子交互的方式：在超導(dǎo)體中，電子呈對(duì)出現(xiàn)，一對(duì)電子之間的自旋排列會(huì)由于其涉及的超導(dǎo)類型或者說(shuō)是“對(duì)稱性”，而變得不同。例如，在PCCO中，一對(duì)電子的自旋狀態(tài)是未對(duì)齊的（反平行的），這種被稱為“D波狀態(tài)”。

    相比之下，當(dāng)石墨烯和超導(dǎo)性的PCCO在試驗(yàn)中聯(lián)合到一起，結(jié)論顯示石墨烯中的電子對(duì)呈P波狀態(tài)。所以，Robinson 說(shuō)：

    “換句話說(shuō)，我們?cè)谑┲锌吹搅撕蚉CCO中完全不同類型的超導(dǎo)性。這是十分重要的一步，因?yàn)樗砻鞒瑢?dǎo)性不是來(lái)自其外部，所以PCCO只是用于激發(fā)石墨烯內(nèi)在的超導(dǎo)性。”

    對(duì)于研究團(tuán)隊(duì)到底激活的是哪種超導(dǎo)性，目前尚不清楚，但是它們的結(jié)論強(qiáng)烈地表明：這是種神秘的“P波”形式。因此，研究將轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)于這種神秘類型的超導(dǎo)性是否存在的爭(zhēng)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(tài)超導(dǎo)體，它能夠具有一種P波對(duì)稱性。SRO的P波對(duì)稱性一直未得到完全驗(yàn)證，其中一部分的挑戰(zhàn)來(lái)源于：SRO是一種龐大的晶體，難以制造成驗(yàn)證理論預(yù)言的設(shè)備類型。

    所以，未來(lái)石墨烯超導(dǎo)體的應(yīng)用可能主要來(lái)自兩方面。首先，石墨烯可用于高速運(yùn)算的新型超導(dǎo)量子設(shè)備和分子電子設(shè)備。其次，它也可用于證明一種神秘形式的超導(dǎo)電性即“p波”超導(dǎo)電性。學(xué)者們?yōu)榱蓑?yàn)證這種超導(dǎo)性，已經(jīng)花費(fèi)了超過(guò)20年的時(shí)間。

    Robinson 認(rèn)為：

    “如果P波超導(dǎo)體確實(shí)是在石墨烯內(nèi)部創(chuàng)建，石墨烯可以成為創(chuàng)建和開發(fā)一個(gè)全新超導(dǎo)設(shè)備的基礎(chǔ)，這些超導(dǎo)設(shè)備將用于基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用研究領(lǐng)域。這樣實(shí)驗(yàn)必然會(huì)帶來(lái)新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，讓我們更好的理解P波超導(dǎo)性，以及它在不同設(shè)備和設(shè)置條件下的工作方式。”

    這項(xiàng)研究還具有更進(jìn)一步的暗示。例如，它揭示了石墨烯能夠制造超導(dǎo)體電路中的類晶體管設(shè)備，并且它的超導(dǎo)性可以被納入分子電子學(xué)范疇。

    所以，Di Bernardo 補(bǔ)充道：

    “總體上說(shuō)，因?yàn)楦鞣N類型的化學(xué)分子都可以綁定在石墨烯表面，這項(xiàng)研究可以促進(jìn)基于石墨烯的、功能新穎的分子電子設(shè)備的開發(fā)。”