零电阻、无输电损耗的超导体是科学家梦寐以求的材料，然而目前已知最高温超导体也必须在零下70℃才能发挥作用。为了提高无能耗设备的应用温度，最近一组团队介绍了利用双层石墨烯片在强磁场下形成量子粒子对的概念，希望为提高超导温度极限带来新解。
任何携带能量的粒子在一般环境流动时往往会失去能量，流经电源线的电子势必因遇到电阻而失去一些能量，这些能量以热形式消散，这也就是电器使用太久会变热的原因，以及为什么数据中心需要大量空调来防止设备过热。
但事情总有些例外，比如当粒子在极低温度下形成凝聚态时，我们可以在某些金属（例如铝）中发现超导现象：电阻消失、完全抗磁性，粒子在没有能量消耗的情况下自由流动，如果放在实际应用面，我们可以开发出理论上免除所有输电损耗、大幅降低发电量需求的超导输电线路，只是维持低温环境是个巨大门槛。
为了提高无能量损失设备的应用温度，我们首先需更了解驱动量子凝聚的过程。根据BCS理论（BCS theory、Bardeen–Cooper–Schrieffer theory），超导现象被视作宏观量子效应，金属中自旋和动量相反的两个电子，无论彼此吸引力有多么微弱，都可以配对形成称为“库珀对（Cooper pair）”的新型粒子，能在晶格其中无损耗运动进而形成超导电流。
这种行为类似玻色子粒子，于足够低的温度下可以进入集体状态，并在不受阻碍的材料中移动，任何单电子都无法实现这种特征。
然而想配对两个带负电的电子最大问题在于，多数超导现象只在极低温环境下出现（通常低于10K，或零下441℃），目前已知最高温的超导体也需在温度低于零下70℃才能发挥作用。
来自美国哥伦比亚大学、哈佛大学、布朗大学及日本国立研究开发法人物质材料研究机构（NIMS）的团队，因此描述了一种基于双层石墨烯片的可调式平台，允许带相反电荷的电子、电洞在强磁场下形成量子粒子对，进一步可测试凝聚态理论预测，以及如何提高超导温度极限。
研究人员表示基本理论很简单，只要能让电子配对，它们就可以产生超导性。该团队并没有试图为2个带负电的电子强制创建共价键，而是探索如何吸引电子与电洞配对形成量子粒子对，并在仅单原子薄的石墨烯片中实现效果。
根据施加的电压和磁场不同，团队可以制造出填充带负电电子或带正电电洞的石墨烯片，接着将两片石墨烯片叠在一起，尝试让一张薄片上的电子与另一张薄片上的电洞配对。
如果两层石墨烯片靠得太近，电子与电洞会结整合消失，因此哥伦比亚大学团队开发一种技术，在石墨烯片之间添加绝缘氮化硼层，从而使电子和电洞产生物理距离、影响相互作用的强度。
然而量子粒子对也需要与其他对相互作用才能达到集体量子凝聚态，因此通过调整绝缘层的数量，团队不仅能控制电子和电洞的结合强度，同时也能改变外部磁场调整粒子对之间的相互作用，首次描述了可调整配对强度的石墨烯平台。
虽然实验是在液氦温度（零下267℃）和10T磁场（比典型的冰箱磁铁强100倍）条件下进行，不适用于真实设备，但这项设计能帮助科学家以新方式测试理论预测，让高温超导更加现实。
（首图来源：布朗大学）