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解鎖石墨烯的超導特性

我們離超導石墨烯又近了一步——一旦使這種二維材料呈現出零電阻,我們就能開發出節能工具,改良醫學儀器,更新全國電網等等。

關鍵一步是加熱碳化矽(SiC)晶體,直到矽原子全部蒸發;碳化矽本身就是超導材料。遺留下的碳原子相當於兩層重疊的石墨烯,在某些條件下不會對電流產生阻力。

今年3月,麻省理工學院(MIT)的研究人員發現,在六角網絡扭角為1.1度等特定條件下,雙層石墨烯可以具備超導性質。最新工藝的不同之處在於無需小心地調節角度,更方便大規模生產。

之前MIT發現的六角網絡形態的雙層石墨烯

技術上講,科學家發現了一種平帶結構,其中的電子不會遇到電阻,因此無論能量水準如何,它們都可以自由流動。

研究人員之前研究過雙層石墨烯,因為它是一種形態良好的半導體。但這次他們發現了以前未被注意過的東西。

“以為早已被研究透了的帶狀結構中,”德國Helmholtz-Zentrum Berlin(HZB)研究所的Dmitry Marchenko說,“竟然還存在著一處未被發現平坦的區域。”

科學家們確定,是在石墨烯層之間的相互作用以及碳化矽晶格的共同影響下,導致了平帶結構的出現。

他們使用了一種被稱為角分辨光電子能譜或ARPES的特殊技術,高分辨率觀察確定電子的行為。該技術由HZB的BESSY II同步粒子加速器來實現。

實現超導的另一個條件是達到一定的能量水準——被稱為費米能級。接受測試的雙層石墨烯非常接近這一點,研究人員認為可以通過相對容易地調整來實現。

HZB的團隊表示,可以通過摻雜原子或應用柵電壓等方式提高能級。

雖然之前已經得到過石墨烯超導體,但這項最新研究使它比以往任何時候都更接近於工業生產和日常使用。過去的某些成功案例是通過在石墨烯中添加其他金屬來實現的,但是在這裡,只需要單純的石墨烯。

與過去的超低溫超導條件不同,科學家表示,該技術有望實現高溫下的超導特性。

石墨烯總是以令人驚奇的方式抓住我們的眼球:單原子厚,比金剛石更堅硬,比鋼更強,從太陽能到水淨化等各方面的潛力。

在其原始狀態下,它就已經是一種優秀的導體,而現在又向著導電體的最終形態邁進——當然,這裡主要還是歸功於我們人類最先進的科學技術和儀器。

該研究被發表在Science Advances上。

本文譯自 sciencealert,由譯者 majer 基於創作共用協定(BY-NC)發布。

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