自2004年发现石墨烯以来,科学家一直相信石墨烯会拥有超导的天赋。1月19日,剑桥大学的研究人员发表在《自然·通讯》期刊的一篇论文中指出,他们找到了一个方法能够激发石墨烯“沉睡”的超导能力,使石墨烯在传导电流时的电阻为零。研究人员是通过将石墨烯与镨铈氧化铜(PCCO)材料耦合的方法激活了石墨烯的超导潜能。超导体早已经广泛应用在日常生活的方方面面。
例如,它们是核磁共振成像仪器和磁悬浮列车中的必要组件;还可用于制造传输和储存能量长达数百万年的电力线路及装置等等。而超导石墨烯的出现开辟了更多的可能性。例如可以用于超高速计算机中的新型超导量子设备。更有意思的是,它可以用来证明一种神秘的超导形式的存在,即所谓的“p波超导性”。P波超导性是在1994年首次被提出,当时日本研究人员发现它出现在名为钌酸锶(SRO)的晶体材料中。
但是这个晶体太大,以至于无法好好地研究,来达到科学家需要证实这个状态存在的类型证明。这项最新的研究由Angelo DiBernardo和Jason Robinson领导。Robinson表示,“长期以来,科学家相信在适当的条件下,石墨烯会经历超导相变,但一直无法得到实验证明。该实验的基本想法是,如果将石墨烯耦合到超导体的话,是否可以激活石墨烯潜在的超导性能呢?
接着问题变成,如何得知观测到的超导性是来自石墨烯本身,而不是耦合的底层超导体?”我们知道,PCCO是一种名为“铜酸盐”的超导材料,它的电学特性已经被充分的了解,利用扫描隧道显微镜的技术,研究人员能够清楚地从石墨烯的超导性中,区分出PCCO的超导性。当电子结成对且更有效的穿越材料时,就会产生超导性。超导体内电子对的自旋状态会根据超导性的不同类型(对称性)而改变。
例如在PCCO中,电子对的自旋状态为反平行,被称为“d波状态”。相比之下,当石墨烯耦合到超导PCCO上时,实验结果显示石墨烯内的电子对处于“p波状态”。Robinson说“换句话说,我们在石墨烯中看到的是不同于PCCO超导的状态。这是一个非常重要的步骤,因为这意味着该超导性不是来自外部。因此,PCCO只需要释放石墨烯固有的超导性。
”但是,目前还不清楚该研究中所激活的是什么样的超导性,但实验结果强烈地暗示它是神秘莫测的“p波”形式。如果最终被证实,就可以终结关于这种神秘类型的超导性是否存在的争论。这项研究有许多的应用前景。例如,在超导电路中,石墨烯可用于制造类似晶体管的器件,并且可以将超导性应用到分子电子学中。现在,其他的研究团队无疑将竞相验证这个实验结果。希望最终能够被证实。
石墨烯是一种以碳原子组成的六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一个碳子厚度的二维材料。石墨烯一直被认为是一种假设性的结构,无法单独稳定存在。直到2004年,科学家才成功地在实验中从石墨中分裂出石墨烯。石墨烯跟钻石和石墨一样,都是由碳原子组成的。石墨烯具有许多令人惊喜的性质。
例如:虽然石墨烯如此之薄,但由于完美的晶体结构和超强的原子间的键,它要比钻石还要硬;由于它只有一个原子的厚度,因此一克的石墨烯就可以覆盖整个足球场;在室温下,它的导电速度要比其它的物质快许多,比如比硅要快250倍;它具有非常良好的生物相容性,因此可以被应用在生物医学上;它的导热性要比铜块10倍;如果把厚度相当于人的头发丝直径十万分之一的石墨烯,叠成保鲜膜那样厚,需要一头大象站在一只铅笔上所产生的压强,才能刺破它。
当然,它也可以被应用各种方面。例如:单壁或双壁碳纳米管;石墨烯聚合材料电池允许电动汽车连续行驶800公里;有机发光二极管;海水淡化;石墨烯芯片;柔性智能手表显示屏;机器人的超敏感弹性“皮肤”。除了以上提到的一些性能外,科学家自石墨烯问世以来就推测它可能具有超导能力。但到目前为止,石墨烯的超导性能只能通过掺杂或放置在其它超导材料上实现。但这会导致石墨烯牺牲其它的性能。