石墨烯：超导天赋被激发，有望用于分子电子设备！
导读
自从2004年石墨烯诞生以来，科学家们一直相信石墨烯具有成为超导性的天赋。现在，剑桥大学的研究人员找到了一种激发这方面天赋的途径。这项研究成果发表在《自然通信》杂志上，它进一步挖掘了石墨烯的潜能。
超导体
1911年，荷兰莱顿大学的科学家H·卡茂林·昂内斯“意外地”发现，将汞冷却到-268.98℃（4.2K）时，汞的电阻突然消失。随后，他又发现多种金属和合金都具有与汞相类似的低温条件下电阻消失的特性。由于它的特殊导电性能，H·卡茂林·昂内斯称之为超导态。昂内斯由于这一发现获得了1913年诺贝尔奖。
超导体目前广泛应用于各个领域。因为导体没有了电阻，电流流经超导体时就不发生热损耗，电流可以毫无阻力地在导线中形成强大的电流，从而产生超强磁场，所以它是核磁共振扫描仪和悬浮列车的必要组件。另外，由于零电阻损耗，它也可用于节能的电力传输线以及能量存储设备。
超导体引起的磁悬浮现象
（图片来源于：维基百科）
石墨烯
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」。
（图片来源于：维基百科）
石墨烯超导性
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。
创新突破
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。
研究历程
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。
研究意义
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。”
【1】http://www.joh.cam.ac.uk/graphene%E2%80%99s-sleeping-superconductivity-awakens
【2】A. Di Bernardo, O. Millo, M. Barbone, H. Alpern, Y. Kalcheim, U. Sassi, A. K. Ott, D. De Fazio, D. Yoon, M. Amado, A. C. Ferrari, J. Linder, J. W. A. Robinson. p-wave triggered superconductivity in single-layer graphene on an electron-doped oxide superconductor. Nature Communications, 2017; 8: 14024 DOI:
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