綜合報道：美國能源部國家直線加速器實(shí)驗(yàn)室(SLAC)和斯坦福大學(xué)的一項(xiàng)研究首次揭示了石墨烯插層復(fù)合材料的超導(dǎo)機(jī)制，并發(fā)現(xiàn)一種潛在的工藝能使石墨烯這個具有廣闊應(yīng)用前景的“材料之王”獲得人們夢寐以求的超導(dǎo)性能。該研究有助于推動石墨烯在超導(dǎo)領(lǐng)域的應(yīng)用，開發(fā)出高速晶體管、納米傳感器和量子計算設(shè)備。相關(guān)論文發(fā)表在3月20日出版的《自然通訊》雜志上。

石墨烯是一種呈蜂巢狀排列的單層碳原子結(jié)構(gòu)，是目前已知的最薄、強(qiáng)度最高的物質(zhì)，具有優(yōu)良的物理化學(xué)性能。科學(xué)家希望用石墨烯制成高速晶體管、傳感器乃至透明電極。此前，人們就已知道摻雜金屬原子的石墨烯插層材料具有二維超導(dǎo)性能。但科學(xué)家們一直無法確定超導(dǎo)性是來源于金屬、石墨烯還是兩者兼而有之。新研究首次通過令人信服的證據(jù)，證明了是石墨烯在其中起到了關(guān)鍵作用。為相關(guān)材料在納米級電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用鋪平了道路。

物理學(xué)家組織網(wǎng)3月21日的報道中稱，研究人員是通過強(qiáng)紫外線對一種名為鈣插層石墨烯(CaC6)的材料進(jìn)行研究后得出上述結(jié)論的。CaC6是純鈣晶體與石墨發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所得到的石墨烯插層復(fù)合材料，由單層碳原子石墨烯和單層原子鈣交替復(fù)合而成。

研究人員將一份來自英國倫敦大學(xué)學(xué)院(UCL)的CaC6樣品在斯坦福同步輻射光源實(shí)驗(yàn)室(SSRL)進(jìn)行了分析。高強(qiáng)度的紫外線能夠幫助他們深入到材料內(nèi)部進(jìn)行觀察，分清每層內(nèi)的電子是如何運(yùn)動的。實(shí)驗(yàn)顯示，電子在石墨烯和鈣原子層之間來回散射，與材料的原子結(jié)構(gòu)發(fā)生自然振動并發(fā)生配對，從而獲得了無電阻的導(dǎo)電性。

領(lǐng)導(dǎo)此項(xiàng)研究的斯坦福材料和能源科學(xué)研究所(SIMES)研究生楊碩龍(音譯)說：“我們的工作開辟了一條讓石墨烯實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的途徑，這是科學(xué)界夢想了很久卻一直未能實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。借助同步輻射光源我們第一次揭示了石墨烯插層材料的超導(dǎo)機(jī)制。”

他說，雖然超導(dǎo)石墨烯的應(yīng)用在短期內(nèi)還難以實(shí)現(xiàn)，但其潛在的應(yīng)用價值已經(jīng)不可限量，包括超高頻率模擬晶體管、納米傳感器及電子器件以及量子計算機(jī)在內(nèi)的眾多設(shè)備都有望因此成為現(xiàn)實(shí)。

編輯圈點(diǎn)

石墨烯曾被諾獎委員會譽(yù)為“完美的原子晶體”，導(dǎo)電性能出了名的好?？茖W(xué)家已經(jīng)在一些碳基材料中觀察到超導(dǎo)態(tài)，但對于石墨烯的超導(dǎo)性卻一直未有說法，因?yàn)闊o法確定樣本中包含超導(dǎo)特性的區(qū)域究竟是哪部分。而今科學(xué)家揭開其超導(dǎo)機(jī)制，盡管并非應(yīng)用級研究，仍足以令材料物理界欣喜不已——因?yàn)檫@款用透明膠帶粘出來的看似并不“高大上”的材料，將因其展露出的新屬性，突破人類現(xiàn)有的物理極限。