Wrinkles and Magnetic Flux Trapping in Graphite Nanoflakes: A Possible Source and Manifestation of Room-Temperature Superconductivity
本文报告称，石墨纳米片的长时间研磨与空气退火会诱发高密度的表面皱褶，这些皱褶与高达 390 K 的磁通量捕获相关联，表明这些缺陷是局部室温超导性的来源。
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几十年来，物理学家们一直在追逐一个特定的梦想：寻找一种在室温下能够无电阻导电的材料。这种被称为“超导”的状态，通常需要将材料冷却到接近绝对零度的温度，而这种条件既昂贵又难以维持。如果科学家能够找到一种在日常条件下具备此特性的材料，它将彻底改变我们产生和传输能量的方式，消除目前困扰着电网和电子设备的巨大废热。虽然大多数超导体是复杂的金属或陶瓷，但研究人员长期以来一直怀疑，碳——即铅笔芯和钻石中发现的同一种元素——可能掌握着解开这一谜题的关键。碳基材料，特别是石墨，已经显示出这种行为的奇异迹象，但证据往往是碎片化的，仅出现在微小的、孤立的区域，而非整个材料。挑战在于，要准确理解碳中的哪种结构特征使其能够在如此高的温度下无损导电。
俄罗斯喀赞联邦大学的一个研究小组通过观察石墨薄片的表面，在解决这一难题方面迈出了重要的一步。他们从普通的块体石墨开始，对其进行了简单的两步处理过程：首先，他们将材料研磨成非常细小的薄片；其次，他们在空气中对其进行加热。这种处理对石墨的表面产生了意想不到的效果。这些微小的薄片并没有保持平整，而是产生了高密度的褶皱，类似于揉皱的纸张会自然沉淀成特定的折痕模式。当研究人员在强力显微镜下观察这些薄片时，他们发现这些褶皱并非随机产生的；它们在材料表面形成了有组织的、平行的网络。至关重要的是，当他们重复这一过程但在真空中而非空气中加热石墨时，这些褶皱并未形成，表面保持相对平滑。
真正的发现出现在研究团队测试不同样品对磁场的反应时。他们冷却了样品并将其暴露在磁场中，这是检测材料是否能捕捉磁力线的标准测试。在物理学领域，捕捉磁通量的能力是超导性的标志。研究人员发现，具有空气诱导褶皱的石墨薄片能强烈地捕捉磁场。更令人惊叹的是，即使当样品升温至390开尔文（约117摄氏度，远高于水的冰点且高于典型的室温）时，这种捕捉效应依然存在。相比之下，从未经过加热的研磨石墨以及在真空中加热的石墨，几乎没有表现出捕捉磁场的能力。团队证实，这种磁性捕捉并非由材料内部磁平衡的变化引起的，而是由于在褶皱区域内流动的持续电流，有效地将磁场锁定在原位。
这项研究表明，材料的物理形状与其电学性质之间存在直接联系。研磨过程可能在碳层中引入了应力和无序，而随后的空气加热过程则允许材料通过折叠自身来释放这种应力。这些特定的褶皱似乎为电子无阻碍运动创造了完美的环境。研究人员排除了这种现象是由于石墨变得更纯净或更有序的结果，因为在真空中加热的样品虽然也经历了结构变化，却并未表现出同样的磁捕捉现象。相反，空气退火样品中独特的褶皱排列似乎才是这一现象的源头。虽然研究人员将其描述为局部超导性的体现，而非整个石墨块的完全转变，但这些发现提供了一种清晰且可重复的方法，可以在碳中创造出在比以往认为的高得多的温度下无损导电的区域。这项工作为为什么某些碳结构表现得像超导体提供了切实的解释，指出褶皱本身正是这一现象背后的隐形建筑师。
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