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石墨烯超导

石墨烯是一种二维材料，其独特的电子结构和物理性质

引起了科学家们的广泛关注。自从2004年AndreiGeim和

KonstantinNovoselov首次制备出单层石墨烯后，石墨烯已

经成为材料科学和凝聚态物理学领域的一个热门研究方向。在

近年来的研究中，石墨烯的超导性质也逐渐被发现和探索，这

一领域的成果得到了广泛的关注和认可。

超导是一种奇特的物理现象，在超导材料中，电阻为零，

电流可以自由流动而不被阻碍。这种电性质可以用超导临界温

度Tc来描述，当温度低于Tc时，材料会表现出超导行为。在

经典的BCS理论中，超导是由超导电子对（Cooperpairs）的

形成和运动所决定的。超导电子对是由两个电子组成的，它们

之间通过晶格振动（声子）的相互作用产生吸引力。而这种相

互作用需要材料具备良好的电子-声子偶合，才能够促进

Cooperpair的形成和运动。

在石墨烯中，由于几何约束和层间距离的充足，电子-声

子偶合非常弱，这导致了石墨烯的超导性质比较特殊。对于单

层石墨烯，由于它只有两条电子带（π带和π*带），且这两

个带之间的能隙比较大，因此石墨烯的超导临界温度非常低。

早期的实验结果表明，单层石墨烯的Tc约为1-2K，而多层石

墨烯或者石墨烯纳米带的Tc可以比单层石墨烯高出一个数量

级。这说明多层石墨烯和石墨烯纳米带中的电子-声子耦合比

单层石墨烯强，因此它们的超导性质更加显著。

除了多层石墨烯和石墨烯纳米带，还有其他的方法可以

提高石墨烯的超导临界温度。例如，在石墨烯上添加掺杂原子

（如硼）或者将石墨烯与其他超导材料组装成异质结构，都可

以促进Cooperpair的形成和运动，从而增强石墨烯的超导性

质。此外，还有一些新型的超导机制在石墨烯中得到了探索，

例如在石墨烯中形成拓扑超导态（topological

superconductivity）和复合超导态（composite

superconductivity）等。

石墨烯超导的研究不仅对于了解超导机制和石墨烯的物

理性质具有重要的科学价值，还有一些应用前景。例如，石墨

烯超导体的制备可以用于研究量子比特（quantumbit）和拓

扑量子计算等领域；此外，利用石墨烯超导体作为磁场传感器

等也具有实际应用价值。

总之，石墨烯超导是当前材料科学和凝聚态物理学领域

的研究热点之一。随着研究的深入，我们相信将会有更多有趣

的物理现象和应用被发现和展示出来。