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科學家首次在單根納米管中觀測到超導特性

作者:中國科學院成都有機化學有限公司 來源:http://www.sikpqwc.cn 日期:2017-03-09 10:39:30


 科學家近日首次發現手性超導現象即超導狀態下,電流只能從一根手性納米管的一端流向另一端,卻不能反向流動。之前,人類只發現過非手性材料的超導現象,即電流無論從材料棒的哪一段進入,都可以從另一端出來。

  

當磁場施加于手性超導納米管上時,電信號只能單向傳播。左圖為原理示意圖,右圖為電子顯微鏡觀察到的單個二硫化鎢納米管。

科研人員組成的團隊在最近一期的《Nature Communication》上發表了關于首次發現手性超導現象的論文。

手性材料擁有與其對稱,但又不同的鏡像材料,就像左手和右手雖然看似相同,其實互為鏡像,并不能重疊為一。超導材料則可以在低溫下實現零電阻,手性超導材料整合了以上2個特性。

手性超導材料的實驗存在諸多挑戰。盡管碳納米管是一種易得的手性材料,同時也具有超導性質,然而迄今為止,科學家只在大量碳納米管形成的組織中觀察到超導特性,卻還沒有在單根碳納米管中觀測到超導特性。

該工作最重要的突破在于:首次在單獨的納米管中實現了超導這使得人類可以進一步研究管狀或者手性等材料結構特征,會對超導特性產生哪些影響。

該實驗之所以能成功,得益于這種全新的二維納米材料——二硫化鎢它也是目前唯一能夠進行手性納米材料實驗的材料。二硫化鎢在電子技術、激光技術和其他領域具有很多潛在用途。

科學家首先把納米管冷卻到5.8凱爾文(約合攝氏零下267度),讓材料進入超導態。作為手性材料的二硫化鎢納米管,可以在低溫下通過一種被稱為“離子液體門極化”(liquid ionic gating)的實驗手段,呈現出超導特性。

接下來,研究團隊給納米管施加外部磁場,磁力線方向與納米管平行。這時,他們發現,有微弱的不對稱信號,從納米管的一段流向另一端。而這些信號在非手性超導材料中是極其微弱。

研發人員表示,非對稱電流僅僅在磁力線平行于納米管時才會出現。如果沒有磁場,那么電流是對稱的。從理論上來說,即便納米管處于非超導態,平行磁場也可以激發非對稱電流,但是科學家并沒有在實驗中觀測到。

目前,科學家并不完全清楚手性超導納米管中非對稱電流的產生原因,而這些相關機制將是他們未來研究的重點之一。研究團隊將進一步深入探索手性和超導性的關系。

盡管目前討論手性超導的應用可能還為時尚早,科學家們還是將手性超導現象和現有技術進行了對比。

而明顯可見的是,手性超導類似于二極管的單向導通效應,因此應該可以用來制造超導電路中的超導二極管。

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