石墨烯：超导天赋被激发，有望用于分子电子设备

2017-02-27 11:35:03 作者：本网整理来源：埃米石墨烯分享至：

石墨烯，是世界范围内最为广泛研究的一种材料。结构上，它是一层六角形蜂巢结构组成的碳原子薄片。作为一种新型材料，它具有多种优异特性例如「高强度」、「超轻薄」、「不透水」、「导电导热性能好」、「柔韧性好」。

    但是，石墨烯的超导性天赋，被埋没了很久。自从2004年石墨烯问世以来，科学家们就推测石墨烯也具有成为超导体的天赋。可是到目前为止，石墨烯超导特性的实现过程，还是通过将其掺杂或者放入到超导材料中。但是，这种工艺会损害石墨烯其他方面的特性。然而，在一项新研究中，剑桥大学的研究人员凭借石墨烯本身的特性，激发了石墨烯在超导方面的天赋，这一过程是通过将其和一种称为“镨铜铈氧化物”（PCCO）的材料相结合。

    这项研究由剑桥大学圣约翰学院的 Angelo Di Bernardo 博士和 Jason Robinson 博士领导，合作伙伴包括剑桥石墨烯中心的 Andrea Ferrari 教授、耶路撒冷希伯来大学的 Oded Millo 教授，位于特隆赫姆的挪威科技大学 Jacob Linder 教授。对于，石墨烯超导性方面的研究，科学家们一直都有一些推测，特别是在特定的条件下激发石墨烯超导方面的天赋。根据 Robinson 的说法：

    “很长时间以来，研究人员都在推测在正确的条件下，石墨烯会转变为超导体，但是一直却无法做到。这个实验的想法是：如果将石墨烯和超导体联合，我们能够开启其内在的超导性吗？然后，问题就变成了：你怎么知道你看见的超导性是来自石墨烯本身，而不是作为其基础的超导体？”

    之前科学家们也进行了一些相关的石墨烯超导性研究，Di Bernardo 说：

    “之前的研究采用了类似的方法例如利用金属类超导体，但是成效甚微。将石墨烯放置在金属上，可以戏剧化地改变它的属性。在技术上它的工作方式超出了我们的预料。你看到的将不再是石墨烯的内在超导性，而是作为其基础的超导体的超导性。”

    根据专家的说法，研究所需要解决的核心问题，主要来自以下两点：

    第一，使用材料激发石墨烯内在的超导性。

    第二，证明超导性来自石墨烯，而不是激发用的材料。

掺杂PCCO材料的石墨烯在扫描隧道显微镜下的图像

（图片来源于：剑桥大学）

    所以，研究人员在他们自己的研究中使用到了PCCO材料，它是“铜氧化物”一类的氧化物中的一种，也具有很好电子特性。科研人员通过扫描隧道显微镜技术，可以区分出PCCO中的超导体性和石墨烯内部观察到的超导性。超导性的特征在于电子交互的方式：在超导体中，电子呈对出现，一对电子之间的自旋排列会由于其涉及的超导类型或者说是“对称性”，而变得不同。例如，在PCCO中，一对电子的自旋状态是未对齐的（反平行的），这种被称为“D波状态”。

    相比之下，当石墨烯和超导性的PCCO在试验中联合到一起，结论显示石墨烯中的电子对呈P波状态。所以，Robinson 说：

    “换句话说，我们在石墨烯中看到了和PCCO中完全不同类型的超导性。这是十分重要的一步，因为它表明超导性不是来自其外部，所以PCCO只是用于激发石墨烯内在的超导性。”

    对于研究团队到底激活的是哪种超导性，目前尚不清楚，但是它们的结论强烈地表明：这是种神秘的“P波”形式。因此，研究将转变为关于这种神秘类型的超导性是否存在的争论。如果是存在，那么它到底是什么？

    1994年，日本研究人员使用一种称为“锶钌”（SRO）的材料，制造了自旋三重态超导体，它能够具有一种P波对称性。SRO的P波对称性一直未得到完全验证，其中一部分的挑战来源于：SRO是一种庞大的晶体，难以制造成验证理论预言的设备类型。

    所以，未来石墨烯超导体的应用可能主要来自两方面。首先，石墨烯可用于高速运算的新型超导量子设备和分子电子设备。其次，它也可用于证明一种神秘形式的超导电性即“p波”超导电性。学者们为了验证这种超导性，已经花费了超过20年的时间。

    Robinson 认为：

    “如果P波超导体确实是在石墨烯内部创建，石墨烯可以成为创建和开发一个全新超导设备的基础，这些超导设备将用于基础科学和应用研究领域。这样实验必然会带来新的科学发现，让我们更好的理解P波超导性，以及它在不同设备和设置条件下的工作方式。”

    这项研究还具有更进一步的暗示。例如，它揭示了石墨烯能够制造超导体电路中的类晶体管设备，并且它的超导性可以被纳入分子电子学范畴。

    所以，Di Bernardo 补充道：

    “总体上说，因为各种类型的化学分子都可以绑定在石墨烯表面，这项研究可以促进基于石墨烯的、功能新颖的分子电子设备的开发。”