10月21日，記者從浙江大學(xué)獲悉，該校信息與電子工程學(xué)院教授林時(shí)勝團(tuán)隊(duì)利用自制的微波等離子體化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，成功制備出硼氮共摻雜的塊體單晶金剛石，并成功通過遷移率調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了金剛石的超導(dǎo)態(tài)和金屬態(tài)，部分證實(shí)了激子超導(dǎo)機(jī)制的可行性，為實(shí)現(xiàn)碳基更高溫超導(dǎo)提供了新路徑。相關(guān)論文近日發(fā)表于國(guó)際期刊《先進(jìn)功能材料》。
金剛石具有超寬禁帶、超高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、熔點(diǎn)高及熱導(dǎo)率高等物理性質(zhì)。BCS理論是解釋常規(guī)超導(dǎo)體超導(dǎo)電性的微觀理論。該理論認(rèn)為，聲子通過與電子的相互作用，促使電子形成庫(kù)珀對(duì)，進(jìn)而形成超導(dǎo)電流，使材料進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)。科學(xué)家根據(jù)該理論推斷，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度一般低于40K（約零下233攝氏度），這一溫度又被稱為麥克米蘭極限。然而，有理論物理學(xué)家指出，利用激子來實(shí)現(xiàn)石墨烯等碳基材料中的耦合電子庫(kù)珀對(duì)，也可能獲得非常規(guī)高溫超導(dǎo)體。
“激子指的是電子和空穴形成的復(fù)合體，超導(dǎo)則表明材料在某個(gè)溫度下實(shí)現(xiàn)零電阻和完全抗磁性狀態(tài)。”林時(shí)勝介紹，在金剛石中引入激子來實(shí)現(xiàn)非常規(guī)超導(dǎo)值得期待。
科研團(tuán)隊(duì)通過調(diào)節(jié)金剛石生長(zhǎng)過程中的壓強(qiáng)、溫度以及氣體摻雜比例等，制備得到的重?fù)诫s金剛石表現(xiàn)出良好導(dǎo)電性，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度為3K（約零下270攝氏度）。通過調(diào)節(jié)緩沖層的生長(zhǎng)參數(shù)，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)具有較高空穴遷移率的樣品可以實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)態(tài)。超導(dǎo)態(tài)的實(shí)現(xiàn)得益于局域束縛激子之間的強(qiáng)耦合。大尺寸單晶超導(dǎo)金剛石的制備，可為量子傳感及量子計(jì)算研究提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
林時(shí)勝說，團(tuán)隊(duì)將石墨烯轉(zhuǎn)移至硼氮共摻雜單晶金剛石表面，制備石墨烯/金剛石異質(zhì)結(jié)后，發(fā)現(xiàn)石墨烯中也存在類似超導(dǎo)特性的新型電學(xué)傳輸行為。在27K（約零下246攝氏度）下，團(tuán)隊(duì)觀測(cè)到石墨烯的電阻開始下降，這揭示了金剛石以及石墨烯通向更高溫度超導(dǎo)的可行性。
（洪恒飛 記者江耘）