新型「室温超导体」亮相！——这次是石墨

光子盒研究院

瑞士研究人员宣布，他们首次在室温下，利用块状热解石墨成功观测到了超导现象，为量子计算带来了新的机遇。
这一重要研究成果已在《先进量子技术》（Advanced Quantum Technologies）杂志上发表，标志着在常压条件下实现室温（300K）超导现象的重要突破。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/qute.202300230

这项研究由瑞士Terra Quantum公司首席技术官瓦列里·维诺库尔（Valerii Vinokur）教授领导，与雅科夫·科佩列维奇（Yakov Kopelevich）教授以及坎皮纳斯州立大学、佩鲁贾大学和瑞士科学技术公司的合著者共同完成。
目前，Terra Quantum已经为这一方法申请了专利，维诺库尔估计，这一方法的效率可能比现有的超导量子比特高出100倍。
在2019年加入Terra Quantum之前，维诺库尔曾在美国能源部阿贡国家实验室担任高级科学家长达30年。

瓦列里·维诺库尔（Valerii Vinokur）
他表示，“我们的工作是一项实验发现，自首次观测到汞的超导性以来，人类已经等待了大约一百年。”
超导材料能够在无阻力的情况下传导电流，因而成为先进和高效技术的基础。目前的问题在于，这种特性只能在一定温度下获得，通常非常接近绝对零度。
即使是高温超导体，其温度也低于冰点，但科学家们一直在寻找在室温下也能超导的材料。
最新的“目标”实际上是一种构造奇特的普通材料：石墨，一种构成铅笔书写部分的物质。
但并非所有的石墨都是一样的，这项研究的重点是高定向热解石墨（HOPG）。
热解石墨是一种人造石墨。
HOPG是石墨的一种合成形式，在这种石墨中，石墨晶粒相互排列，因此它们之间的夹角非常小——这对于这种材料具有超越铅笔的有趣特性至关重要。
“首先，我们实现了用胶带切割HOPG样品。劈开后的表面会出现皱纹，形成一组类似羊毛的东西。”坎皮纳斯州立大学的研究人员在科佩列维奇的领导下，用胶带将这种石墨劈成薄片。
这些薄片上布满了近乎平行的密集“皱纹”（wrinkle）阵列。
研究小组认为，库珀对正是在这种材料的皱褶中形成的。这些是开始相互作用并最终结合在一起的电子对——超导性的基础粒子。
这些皱纹的几何形状使电子配对成结构，从而使超导电流沿着“皱纹”流动。
在超导材料中，这种情况会在特定温度（称为临界温度）以下发生。
这项工作中的研究人员无法准确确定临界温度，但它大约在室温，即300开尔文（27 °C或80 °F）。
“由于这些HOPG非常不均匀，临界超导温度会随着样品的变化而变化。正如我们在工作中证明的那样，金属性最好的区域的超导性出现在室温下，即300K时。”维诺库尔博士表示。
研究小组测量了这种材料的电阻和磁化率，结果与其他超导材料的行为一致。

a）上图：HOPG样品的扫描电子显微镜 (SEM) 图像；中图：原子力显微镜 (AFM) 图像，显示样品表面的脊状形貌；下图：设备简图。b）在选定应用磁场条件下测得的I-V特性半对数图

临界电流的温度和磁场相关性

超导转变

电阻的温度和磁场相关性

磁化曲线

在此次实验中，科学家们解释了一维缺陷导致超导的机制。

这些缺陷内的应变波动可以用有效的拓扑规范场来描述，它介导了一种吸引势，使缺陷中液滴内的电子配对并发生玻色凝聚。
这些液滴的尺寸非常小，因此这些电子对的基态非常稳定。
冷凝液滴在石墨表面形成有效的约瑟夫森结阵列，石墨冻结在拓扑玻色金属态，缺陷形成的边缘有残余传导。
在这些缺陷上，量子相滑移通常会导致耗散。
然而，由于二维表面和三维体的维度焊接，量子相滑移只是在表面上运动的体涡旋的尖端。由于块体的电阻非常小，这些涡旋的运动以及量子相滑移在缺陷上引起的耗散都会受到抑制。
然后，这些“缺陷”就变成了超导。
在室压和室温下具有超导性的材料将是一个改变文明的突破，它将带来目前只能在我们的想象中才有可能实现的技术。
“我们的科学团队与学术和行业合作伙伴的这一发现为超导技术的惊人进步打开了大门。室温超导为跨行业的变革性进步打开了大门。”Terra Quantum创始人兼首席执行官马库斯·普弗利施（Markus Pflitsch）总结说。
“想象一下电网几乎没有能量损失，彻底改变我们的电力传输方式。在医疗保健领域，增强型MRI技术将会出现，提供前所未有的诊断精度。节能型高速磁悬浮列车将推动交通运输飞跃发展。电子产品将进入小型化和能效的新时代。”
“新兴的量子计算领域将受益匪浅，因为现在仅在10-20mK下运行的量子比特可以在室温下运行。”
不过，迄今为止，已经有几种材料显示出室温超导性，但这种超导性一直难以再现。
——科学界需要收集非同寻常的证据，还有测试超导性的许多其他方法。
参考链接：[1]https://www.eenewseurope.com/en/room-temperature-superconductivity-shown-in-graphite/[2]https://www.iflscience.com/new-room-temperature-superconductor-throws-hat-in-the-ring-this-time-its-graphite-72630[3]https://www.hpcwire.com/off-the-wire/terra-quantum-reports-room-temperature-superconductivity-potentially-enhancing-qubit-stability-for-quantum-computing/[4]https://thequantuminsider.com/2024/01/25/using-scotch-tape-and-quantum-mechanics-scientists-see-signs-of-global-room-temperature-superconductivity-in-graphite/

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