走向高溫超導,測試用雙層石墨烯產生量子粒子對

作者 | 發布日期 2022 年 01 月 18 日 10:18 | 分類 材料、設備 , 自然科學 Telegram share ! follow us in feedly


零電阻、無輸電損耗的超導體是科學家夢寐以求的材料,然而目前已知最高溫超導體也必須在零下 70℃ 才能發揮作用。為了提高無能耗設備的應用溫度,最近一組團隊介紹了利用雙層石墨烯片在強磁場下形成量子粒子對的概念,希望為提高超導溫度極限帶來新解。

任何攜帶能量的粒子在一般環境流動時往往會失去能量,流經電源線的電子勢必因遇到電阻而失去一些能量,這些能量以熱形式消散,這也就是電器使用太久會變熱的原因,以及為什麼數據中心需要大量空調來防止設備過熱。

但事情總有些例外,比如當粒子在極低溫度下形成凝聚態時,我們可以在某些金屬(例如鋁)中發現超導現象:電阻消失、完全抗磁性,粒子在沒有能量消耗的情況下自由流動,如果放在實際應用面,我們可以開發出理論上免除所有輸電損耗、大幅降低發電量需求的超導輸電線路,只是維持低溫環境是個巨大門檻。

為了提高無能量損失設備的應用溫度,我們首先需更了解驅動量子凝聚的過程。根據 BCS 理論(BCS theory、Bardeen–Cooper–Schrieffer theory),超導現象被視作宏觀量子效應,金屬中自旋和動量相反的兩個電子,無論彼此吸引力有多麼微弱,都可以配對形成稱為「庫珀對(Cooper pair)」的新型粒子,能在晶格當中無損耗運動進而形成超導電流。

這種行為類似玻色子粒子,於足夠低的溫度下可以進入集體狀態,並在不受阻礙的材料中移動,任何單電子都無法實現這種特徵。

然而想配對兩個帶負電的電子最大問題在於,多數超導現象只在極低溫環境下出現(通常低於 10K,或零下 441℃),目前已知最高溫的超導體也需在溫度低於零下 70℃ 才能發揮作用。

來自美國哥倫比亞大學、哈佛大學、布朗大學及日本國立研究開發法人物質材料研究機構(NIMS)的團隊,因此描述了一種基於雙層石墨烯片的可調式平台,允許帶相反電荷的電子、電洞在強磁場下形成量子粒子對,進一步可測試凝聚態理論預測,以及如何提高超導溫度極限。

研究人員表示基本理論很簡單,只要能讓電子配對,它們就可以產生超導性。該團隊並沒有試圖為 2 個帶負電的電子強制建立共價鍵,而是探索如何吸引電子與電洞配對形成量子粒子對,並在僅單原子薄的石墨烯片中實現效果。

根據施加的電壓和磁場不同,團隊可以製造出填充帶負電電子或帶正電電洞的石墨烯片,接著將兩片石墨烯片疊在一起,嘗試讓一張薄片上的電子與另一張薄片上的電洞配對。

如果兩層石墨烯片靠得太近,電子與電洞會結合並消失,因此哥倫比亞大學團隊開發一種技術,在石墨烯片之間添加絕緣氮化硼層,從而使電子和電洞產生物理距離、影響相互作用的強度。

然而量子粒子對也需要與其他對相互作用才能達到集體量子凝聚態,因此透過調整絕緣層的數量,團隊不只能控制電子和電洞的結合強度,同時也能改變外部磁場調整粒子對之間的相互作用,首次描述了可調整配對強度的石墨烯平台。

雖然實驗是在液氦溫度(零下 267℃)和 10T 磁場(比典型的冰箱磁鐵強 100 倍)條件下進行,不適用於真實設備,但這項設計能幫助科學家以新方式測試理論預測,讓高溫超導更加現實。

(首圖來源:布朗大學