石墨烯：超導天賦被激發，有望用於分子電子設備！

導讀

自從2004年石墨烯誕生以來，科學家們一直相信石墨烯具有成為超導性的天賦。現在，劍橋大學的研究人員找到了一種激發這方面天賦的途徑。這項研究成果發表在《自然通信》雜誌上，它進一步挖掘了石墨烯的潛能。

超導體

1911年，荷蘭萊頓大學的科學家H·卡茂林·昂內斯「意外地」發現，將汞冷卻到-268.98℃（4.2K）時，汞的電阻突然消失。隨後，他又發現多種金屬和合金都具有與汞相類似的低溫條件下電阻消失的特性。由於它的特殊導電性能，H·卡茂林·昂內斯稱之為超導態。昂內斯由於這一發現獲得了1913年諾貝爾獎。

超導體目前廣泛應用於各個領域。因為導體沒有了電阻，電流流經超導體時就不發生熱損耗，電流可以毫無阻力地在導線中形成強大的電流，從而產生超強磁場，所以它是核磁共振掃描儀和懸浮列車的必要組件。另外，由於零電阻損耗，它也可用於節能的電力傳輸線以及能量存儲設備。

超導體引起的磁懸浮現象

（圖片來源於：維基百科）

石墨烯

石墨烯，是世界範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」。

石墨烯超導性

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。

創新突破

然而，在一項新研究中，劍橋大學的研究人員憑藉石墨烯本身的特性，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聖約翰學院的 Angelo Di Bernardo 博士和 Jason Robinson 博士領導，合作夥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，位於特隆赫姆的挪威科技大學 Jacob Linder 教授。

研究歷程

對於，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？然後，問題就變成了：你怎麼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：

「之前的研究採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

（圖片來源於：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。

超導性的特徵在於電子交互的方式：在超導體中，電子呈對出現，一對電子之間的自旋排列會由於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只是用於激發石墨烯內在的超導性。」

對於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，研究將轉變為關於這種神秘類型的超導性是否存在的爭論。如果是存在，那麼它到底是什麼？

1994年，日本研究人員使用一種稱為「鍶釕」(SRO)的材料，製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於：SRO是一種龐大的晶體，難以製造成驗證理論預言的設備類型。

研究意義

所以，未來石墨烯超導體的應用可能主要來自兩方面。首先，石墨烯可用於高速運算的新型超導量子設備和分子電子設備。其次，它也可用於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，這些超導設備將用於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製造超導體電路中的類晶體管設備，並且它的超導性可以被納入分子電子學範疇。

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於石墨烯的、功能新穎的分子電子設備的開發。」

參考資料

【1】http://www.joh.cam.ac.uk/graphene%E2%80%99s-sleeping-superconductivity-awakens

【2】A. Di Bernardo, O. Millo, M. Barbone, H. Alpern, Y. Kalcheim, U. Sassi, A. K. Ott, D. De Fazio, D. Yoon, M. Amado, A. C. Ferrari, J. Linder, J. W. A. Robinson.p-wave triggered superconductivity in single-layer graphene on an electron-doped oxide superconductor. Nature Communications, 2017; 8: 14024 DOI: 10.1038/NCOMMS14024