石墨烯的超導能力終於被解開,而且比我們預期的還要瘋狂!

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好的,哇!

這是正式的:石墨烯(graphene)在自然狀態下被做成超導體,意味著電流可以無阻力地流通。

去年,藉由在石墨烯添加鈣原子,物理學家設法做出石墨烯的超導現象。但這是第一次研究人員實現這個材料的超導性,而不用去改變它。到目前為止,結果顯示這個材料達成令人難以置信的罕見類型超導性,甚至比科學家預期的更加瘋狂且更強大。

鑒於超導性是更高效率的電子、更好的電力網和新的醫療技術的關鍵,這項新研究是很重要的,甚至對一種和石墨烯一樣具有天生令人印象深刻的材料。

研究人員之一、來自英國劍橋大學的傑生‧羅賓森(Jason Robinson)說:「長久以來都假設在適當的條件下,石墨烯應該會經歷超導相變(superconducting transition),但其實不然。」

現在,他表示他的團隊已經設法喚醒這種能力,而且石墨烯看起來不只是一個普通的超導體,它可能還以零電阻來傳導電流,作為一種尚未證實且難以捉摸的超導性類型的結果;這種類型稱為p波狀態(p-wave state)。需要進一步的研究來確認這個結果,但這是一個相當引人興趣的可能性。

已經是成果比預期還大,石墨烯是一個2維度的碳原子薄片,超彈性、比鑽石還硬、比鋼還堅固。

但自從2004年發現以來,研究人員懷疑石墨烯可能也有能力成為超導體,意味著它可以讓電子來回快速穿梭,而根本沒有任何電阻。

即使是很好的導體材料 與超導體相比,仍然是低效率的;例如,能源公司損失大約7%能源的熱,和在電力網中,阻抗所造成的熱一樣。

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我們已經使用超導材料來產生磁共振成像(MRI)儀器和磁懸浮列車所需要的強大磁場。但現在,這些材料只能在大約攝氏負269度(華氏負452.2度)下變成超導,這是非常昂貴的,而且完全不實際。

如果我們能夠找到一種方法來實現超導性的持續,而且是在高溫下,它將開啟超級電腦在無電阻之下運作的可能性,以及更有效的醫療技術。而考慮到它的其他怪異和奇妙的特性,石墨烯通常被認為是實現超導性的首要候選標的。

藉由在晶格(lattice)中插入鈣原子,研究人員在去年成功地讓石墨烯成為超導體。而藉由將石墨烯放在一個超導材料上,其他團隊達成類似的結果。

但在新的研究中,來自劍橋大學的研究人員能夠在不受其他材料的影響下,活化石墨烯的休眠潛能。

團隊成員之一的安傑洛‧貝納多(Angelo di Bernardo)說:「把石墨烯放在金屬上,可以戲劇性地改變特性。因此,在技術上,不再表現如我們所預期的。」

「你所看到的並不是石墨烯固有的超導性,只不過是被位在下方的超導體所傳遞。」

取而代之的是,藉由與名為鐠鈰氧化銅(praseodymium cerium copper oxide,PCCO)的材料耦合,這個團隊實現石墨烯的超導性。

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聽起來可能和以前的實驗類似,畢竟他們仍然把石墨烯放在另一種材料的頂部。但在這裡的差異是,鐠鈰氧化銅是一種名為銅酸鹽(cuprate)的超導材料,它的電子特性已被充分的了解。

因此,這個團隊能夠清楚地從石墨烯的超導性中,區分出鐠鈰氧化銅的超導性。

然後,他們看見的比所期待的還要瘋狂

當電子結成對並且更有效地穿越材料時,就會產生超導性。

這些電子對的自旋定向(spin alignment)或對稱性,是依據所涉及的超導性類型而改變。例如,在鐠鈰氧化銅中,電子與反平行(antiparallel)的自旋狀態配對,被稱為d波狀態(d-wave state)。

但是這個團隊看見在石墨烯所發生的超導性,是有很大的不同。他們發現一種罕見且尚未被證實的超導性證據,稱為p波狀態。

羅賓森說:「換句話說,我們在石墨烯所看到的超導性類型,非常不同於在鐠鈰氧化銅所看到的。」

「這是一個非常重要的步驟,因為這意味著我們知道超導性不是來自於外部。因此,鐠鈰氧化銅只需要釋放石墨烯固有的超導性。」

目前依然不清楚這個團隊在石墨烯中釋放出什麼樣的超導性,但是如果證實真的是難以理解的p波形,那麼就能徹底地證明這種超導性存在,並且允許研究人員第一次正確地研究它。

P波超導性是在1994年首次被提出,當時日本研究人員發現它出現在名為釕酸鍶(strontium ruthenate)的晶體材料中。但是這個晶體太大,以至於無法好好地研究,來達到科學家需要證實這個狀態存在的類型證明。

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如果是發生在石墨烯,這就很容易調查了。

羅賓森說:「如果石墨烯的確產生p波超導性,對於基礎和應用研究領域來說,石墨烯可以被用來作為一整個全新範圍的超導裝置創新和探索的鷹架。」

「經由對p波超導性更好的理解,這類的實驗必然會引導到新的科學,以及它如何在不同裝置和環境中表現。」

不只是這樣,這個團隊還認為石墨烯可能是解開超導性在攝氏負269度(華氏負452.2度)以上的關鍵,而且可以被用在超級電腦的內部和其他科技中,使得效率更高。

其他的研究團隊無疑地將在自己的實驗室裡競相驗證這個結果,並開始實驗這個新的、被喚醒的石墨烯狀態。那麼,就請繼續關注進一步的發展吧!

這項研究發表於自然通訊(Nature Communications)期刊

來源:ScienceAlert