科學家喚醒了石墨烯沉睡的超導性能

研究人員已經找到了一種激發石墨烯潛在超導體能力的方法，這意味著石墨烯在傳導電流時的電阻將為零！

發表在《Nature Communications》上的這一發現進一步增強了石墨烯的應用潛力。

石墨烯是二維碳原子層，有幾大顯著性能，例如石墨烯強度十分高，但質量很小，具有柔韌性和超高的導電性，被廣泛認為是推動醫療和電子產業發展的重要材料。

從2004年石墨烯問世以來，科學家們推測石墨烯可能具有超導能力。然而，到目前為止，石墨烯的超導性能僅可以通過摻雜或放置在其他超導材料上實現。這兩種超導都是以犧牲石墨烯其他性能為代價的。

但是，在最新的研究中，英國劍橋大學的研究人員用與鐠鈰氧化銅（PCCO）材料耦合的方法激活了石墨烯自身具有的超導潛能。

超導體已經廣泛應用在日常生活的很多領域。因為超導體可以產生巨大的磁場，它們是核磁共振和懸浮列車中的必要組件。它們還可用於製造傳輸和儲存能量長達數百萬年的電力線路及裝置。

超導石墨烯的出現開闢了更多可能性。研究人員提到，超導石墨烯可以用於超高速計算機中的新型超導量子器件。更為吸引人的是，它可以用來證明 「p波超導」這一超導特殊形式的存在。科學家為此已經苦苦追尋了20年。

該研究由劍橋大學聖約翰學院的安傑洛·迪·貝爾納多（Angelo DiBernardo）博士和傑森·羅賓遜（Jason Robinson）博士牽頭，合作者有來自劍橋石墨烯中心的安德烈·法拉利（Andrea Ferrari）教授，耶路撒冷希伯來大學的俄德·米羅（Oded Millo）教授和特隆赫姆挪威科技大學的雅各布·林德（Jacob Linder）教授。

羅賓遜說 「長期以來，科學家相信在特定條件下，石墨烯可以完成超導轉變，但一直無法實驗證明。我們的實驗設想是，如果將石墨烯耦合到超導體的話，是否可以激活石墨烯潛在的超導性能呢？然而，緊接著問題將變成如何知道觀測到的超導性來自石墨烯本身而不是耦合的底層超導體？」

迪·貝爾納多也說道，過去人們將石墨烯放在金屬基底超導體上進行過類似的研究。然而，置於金屬上的石墨烯性能發生顯著改變，電學性能不再遵循人們的預期。實驗證明，這種情況下觀測到的超導性能並不是石墨烯的固有性能，而來源於金屬基底的超導。

鐠鈰氧化銅超導體是「銅酸鹽」氧化物超導體家族中的一員，具有明顯的電學特徵。使用掃描隧道顯微鏡，研究人員可以很容易地區分鐠鈰氧化銅和石墨烯的超導性。

我們通常通過觀測電子相互作用的方式來驗證超導性的存在：超導體內電子對的自旋狀態會根據超導性的不同類型（對稱性）而改變。例如在PCCO超導體的「d波狀態」下，電子對的自旋狀態為反平行。

然而，當石墨烯耦合到超導PCCO上時，實驗結果顯示石墨烯內的電子對處於p波狀態。羅賓遜說 「我們在石墨烯中看到的是不同於PCCO超導的狀態，這意味著該超導並不來自PCCO而來自石墨烯本身。 PCCO激發了石墨烯的內在超導性。 」

劍橋大學的科研團隊所激活的超導類型仍沒有定論，但實驗結果強烈地暗示它是變幻莫測的「p波」形式。如果最終被證實，這項研究將終結關於這種神秘類型的超導性是否存在的爭論。

1994年，日本科學家使用釕酸鍶（SRO）材料製造了可能具有p波對稱性的三線態超導體（triplet superconductor）。 SRO的p波對稱性從未被完全驗證，部分原因是由於SRO為塊狀晶體，很難製造出用於測試理論預測的器件。

羅賓遜說：「如果石墨烯確實產生了p波超導性，科學家將利用它探索基礎和應用領域全新的超導器件，這無疑將幫助我們更好地理解p波超導性以及它在不同條件下的表現。」

這項研究還有其他諸多應用前景。 例如，在超導電路中，石墨烯可用於製造類似晶體管的器件，並且可以將超導性應用到分子電子學中。迪·貝爾納多補充說：「考慮到可以與石墨烯表面可結合化學分子的多樣性，這項研究將極大的促進基於石墨烯超導的新型分子電子器件的發展。