石墨烯超导真空通道的白光干涉测试方法与流程

1.本发明涉及物理学超导技术领域，具体为一种石墨烯超导真空通道的白光干涉测试方法。


背景技术：

2.超导(即导电体的电阻为零)现象自1911年onnes发明以来已逾百年，成为物理学的前沿，是最热门而又最困难的课题，每年世界有上万篇论文和技术报告发表。
3.由于它具有独特的传输电阻为零的特点，它可以应用于电力传输、磁悬浮技术、核磁共振、量子计算机以及国防等。美国google公司的超导量子计算机已经问世，我国上海已经铺设高温超导试验性传输电缆，超导已经成为各国激烈竞争的战略性创新技术领域。
4.nature 2018年4月刊载了yuan cao等的论文“unconventional superconductivity in magic
‑
angle graphene superlattices”(5 april 2018，vol 556，nature 43)。该论文报道，它的原理是：当两层石墨烯当其互相转动1.16度和1.05度(该论文称为魔角)两种状态下，在临界温度1.7k和0.5k度时，都可观察到超导现象(即零电阻)，超导电流可达约50na。
5.nature 2020年10月刊载了e.snider等的论文“room
‑
temperature in carbonaceous sulfur hydride”(nature，vol.586，15 october 2020，373)。论文报道，其原理是：在指定的摄氏15度和267gpa(即约260万个大气压)的超高压下，在一种碳、硫、氢的化合物可观察到超导现象。
6.由前述两篇论文报道可见：目前超导技术的两个主要困难是深低温和超高压，严重阻碍着它的实用化。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种石墨烯超导真空通道的白光干涉测试方法，实现常温、常压、中等湿度条件下超导试验。
8.实现本发明目的的技术解决方案为：一种石墨烯超导真空通道的白光干涉测试方法，包括如下步骤：
9.步骤1、用白光干涉和水平光栅确定被观察石墨烯条及其水平光栅基底表面白光干涉的波阵面位置；
10.步骤2、水平光栅的一侧铺石墨烯条，水平光栅的另一侧不铺石墨烯条；用白光干涉仪观察石墨烯条及其水平光栅基底表面，测试石墨烯的光程差opd(l
t1
，l
t2
)，该光程差是由石墨烯条边界与设定的水平光栅的夹角k所决定；k角定义为石墨烯条右侧边界与水平光栅线沿逆时针方向转动的夹角；
11.步骤3、设定一系列不同k角的石墨烯条，通过步骤1和步骤2，获得石墨烯的光程差曲线，即石墨烯的光程差曲线与k角的关系曲线，横坐标是k角，纵坐标是光程差；
12.步骤4、确定石墨烯光程差曲线与横坐标轴的交点，具有这些k角的石墨烯条即为
真空通道；
13.步骤5、按真空通道的k角，制造转移石墨烯条到玻璃板上制备石墨烯超导测试元件，将测试元件放入测试装置，实现常温、常压、中等湿度条件下超导试验。
14.进一步的，步骤1所述用白光干涉和水平光栅确定被观察石墨烯条及其水平光栅基底表面白光干涉的波阵面位置，具体为：用真彩色白光干涉仪，光强度在主干涉级中心两侧亮暗突然颠倒，依靠水平光栅与横截网格相交构成振动曲线结点，此结点位置确定了此时刻白光干涉的波阵面位置。
15.进一步的，步骤2具体为：水平光栅的左侧铺石墨烯，水平光栅的右侧不铺石墨烯；用白光干涉仪观察石墨烯条及其水平光栅基底表面，由于石墨烯的存在，水平光栅左侧和右侧白光干涉波阵面位置产生错位，从而准确测试石墨烯的光程差opd(l
t1
，l
t2
)，该光程差是由石墨烯条边界与我们设定的水平光栅的夹角k所决定。
16.进一步的，步骤4具体为：通过步骤1，步骤2和步骤3，确定石墨烯光程差曲线与横坐标轴的交点，它们满足
17.opd(l
t1
，l
t2
)＝0
18.或doplg∩(opd(l
t1
，l
t2
)＝0)
19.∩为交集符号；
20.这些交点是离散的，成系列的；
21.具有这些k角的石墨烯条，opd(l
t1
，l
t2
)＝0，
22.而opd(l
t1
，l
t2
)＝2d(n
‑
1)
23.其中，n是石墨烯的折射率，d是石墨烯的厚度；
24.从而n＝1，按照光学理论和电动力学理论这些石墨烯条即为真空通道。
25.与现有技术对比，本发明具备以下有益效果：
26.1)克服原来的超导要求深低温的缺点
27.实验两年多的过程证明通过本发明方法得到的装置可在大范围常温下正常工作，打破了超导要深低温的长期的障碍；
28.2)克服原来的超导要求超高压的缺点
29.实验两年多的过程证明本发明的装置可在常压(南京开放实验空间1个标准大气压)下正常工作，打破了超导要超高压的障碍；
30.3)实验已经证明本发明的装置可在中等湿度(10％到75％)条件下正常工作；
31.4)超导电流持续性的效果
32.本发明超导现象持续性的效果已经经过两个月的考验；
33.5)超导电流大小的效果
34.本发明的超导电流达到约130
‑
140na，高于对比文件1(仅50na)的实验数据；
35.6)本发明与其它超导技术不同，不需要任何大型、昂贵的实验设备。
附图说明
36.图1为石墨烯光程差实测曲线图。
37.图2为测试装置图。
38.图3为超导电流曲线图，上图是v2样品在2020年11月26日实验结果，下图是v4样品
在2020年11月27日实验结果；v2样品即样品k角取图1中v2点角度的样品；v4样品即样品k角取图1中v4点角度的样品。
39.图4为超导电流持续性曲线图。
40.图5(a)为依靠水平光栅与横截网格相交构成振动曲线示意图；图5(b)为振动曲线示意图，其中纵坐标是水平光栅白光干涉图像点的亮度，横坐标是水平光栅白光干涉图的纵坐标像素点位置。
41.图6为k角示意图。
具体实施方式
42.本发明提供一种石墨烯超导真空通道的白光干涉测试方法，测试石墨烯真空通道的k角参数，按此参数加工石墨烯元件，去实现下述条件下的超导试验：
43.1)大范围常温(南京大气温度夏天摄氏38度到29度，冬天7度到负4度)；
44.2)常压(南京开放的实验空间的1个标准大气压)；
45.3)中等湿度(10％到75％)；
46.该方法克服了超导领域里深低温和超高压这两个致命缺点。
47.下面结合附图，对本发明技术方案进行详细说明。
48.步骤1，测试单层石墨烯的光程差曲线(doplg)。
49.采用装备mirau干涉镜头的白光干涉仪作测试曲线用。有一块50lp/mm(每毫米50对线)的光栅，在光栅表面的左侧转移一片单层石墨烯条，该石墨烯条的侧面边缘与光栅的水平线夹角k是给定的。如图6所示，k角定义为石墨烯条右侧边界与水平光栅线沿逆时针方向转动的夹角。
50.该光栅放到白光干涉仪下观察，光栅的右侧出现其真彩色白光干涉条纹，用真彩色白光干涉仪，光强度在主干涉级中心两侧亮暗突然颠倒，从而精确确定它的主干涉级中心，也就是它的波阵面位置。而在光栅的左侧的白光干涉条纹，同理又可以确定它的波阵面位置。由于铺在左侧石墨烯的存在，使得光栅左右两侧的波阵面位置发生移动。该左右波阵面位置移动，即左侧(有石墨烯)和右侧(没有石墨烯)的光程差大小可以由振动曲线的极其明锐的结点的位置差精确确定，光程差取决于该石墨烯条的k角。设置一系列k角的石墨烯条分别转移到一个一个光栅上，就可以测试出一系列石墨烯k角与它对应的光程差的数据(以纳米表示)，从而测绘出单层石墨烯的光程差曲线，见图1。这个方法我们称为“白光干涉加水平光栅法”。光程差曲线的横坐标是k角，纵坐标是光程差。
51.步骤2，基于步骤1从石墨烯光程差曲线，详细解出石墨烯的真空通道；
52.当k角位于v1至v6时，即
53.opd(l
t1
，l
t2
)＝0
54.或doplg∩(opd(l
t1
，l
t2
)＝0)
55.式成立时，石墨烯存在真空通道。其中doplg表示光程差曲线。l
t1
，l
t2
分别是2dn，2d。其中d是石墨烯的厚度，n是石墨烯的折射率。
56.由图1可见，光程差曲线与横轴(即k角轴)有离散的一系列交点。在这些交点处，必然光程差opd＝0。
57.而opd(l
t1
，l
t2
)＝2d(n
‑
1)
58.这里n是石墨烯的折射率。
59.从而有n＝1。
60.根据光学理论和电动力学理论，此时具有这些k角的石墨烯是真空通道，它是成离散的一系列分布。
61.石墨烯也是一种半导体材料，由半导体物理学理论知道:材料内的载流子的碰撞现象是产生电阻的根本原因。所以真空通道将自然消除碰撞现象和电阻，据此，石墨烯真空通道就能够提供实现常温、常压、中等湿度条件下超导。
62.真空通道分布:这些交点是离散的，成系列的，例如图1中：k＝84.81
°
，86.11
°
，89.91
°
，在图1中另外3个交点或者其余所有交点按opd(l
t1
，l
t2
)＝0类推决定。
63.其他实验条件下的真空通道还可以包含其他k角值，本发明并不局限于图1所示实例。
64.步骤3，基于上述步骤1，步骤2，按真空通道的k角，由石墨烯工厂制造转移石墨烯条到玻璃板上制备石墨烯超导测试元件，把该元件放入图2的测试装置就可实现常温、常压、中等湿度条件下石墨烯超导。
65.图1为石墨烯光程差实测曲线，曲线横坐标k角分布在82
°
到92
°
之间。纵坐标opd(l
t1
，l
t2
)用光程的单位纳米(nm)表示。
66.图2为测试装置图，电源是稳压电源。v是电压表，a是精密电流表，可测量纳安级电流。玻璃板是显微镜观察用波片。石墨烯是按我们的k角要求由石墨烯工厂转移到波片上。紫铜电极由工厂用数控机床加工。红外辐射源在市面上购买。紫铜电极位于石墨烯条两端。
67.图3为超导电流曲线图，上图是v2样品在2020年11月26日测试结果，超导电流iscs＝145na，当天温度10℃
‑
7℃，湿度75％，实验室是开放空间一个标准大气压。下图是v4样品在2020年11月27日测试结果，超导电流iscs＝149na，当天温度8℃
‑
4℃，湿度66％，实验室是开放空间一个标准大气压。上述两个测试结果是从几十个随机选出的。
68.图4为超导电流持续性曲线图。从2020年10月1日起至11月30日测试，超导电流持续性试验共两个月。测试数据显示：超导电流iscs的平均值分别是140.6na和140.625na，方差分别为11.12na和47.401na，超导电流没有衰减。
69.图5(a)为水平光栅与横截网格相交构成振动曲线示意图，底图为水平光栅白光干涉条纹图，3d图为水平光栅白光干涉条纹亮度的3d图；图5(b)为振动曲线示意图，其中纵坐标是水平光栅白光干涉图像点的亮度，横坐标是水平光栅白光干涉图的纵坐标像素点位置；主干涉条纹中心亮暗突变，亮暗
→
暗亮的反转点，即为水平光栅与横截网格相交构成振动曲线的结点。
70.下面结合实施例对本发明进行详细说明：
71.实施例
72.如图1，本实施例从如下角度：
73.k＝84.81
°
，86.11
°
，89.91
°
，其余3个按opd＝0类推。
74.当中选择角度，并按此角度在玻片上转移单层石墨稀。单层石墨烯的尺寸是长40毫米，宽10毫米。在石墨烯的长度方向两端固定10毫米见方厚0.5毫米的紫铜电极。这就是石墨烯超导测试元件。把该元件放入图2所示的测试装置，按照超导实验的步骤就可获得超导实验结果。红外辐射源的功率1w，实验中只用约400mw。该辐射源安置在石墨烯条上方距
离石墨烯约130mm。
75.整个实施过程如下：
76.首先，用步骤1的方法，即“白光干涉加光栅法”测试单层石墨烯的光程差曲线。
77.需要一台装备mirau干涉镜头的白光干涉仪，有一块50lp/mm(每毫米50对线)的光栅，石墨烯工厂的技术人员在光栅表面的左侧转移一片单层石墨烯，该光栅放到白光干涉仪下观察，光栅的右侧出现其真彩色白光干涉条纹，用真彩色白光干涉仪，光强度在主干涉级两侧突然亮暗颠倒，从而精确确定它的主干涉级中心位置，也就是它的波阵面位置。而在光栅的左侧的白光干涉条纹，同理又可以确定它的波阵面位置。由于铺在左侧石墨烯的存在，使得光栅左右两侧的波阵面经历的光程不同位置发生移动。该左右波阵面位置移动，即左侧(有石墨烯)和右侧(没有石墨烯)的光程差大小可以由振动曲线的极其明锐的结点的位置差精确确定。光程差取决于该石墨烯条的k角。
78.设置一系列k角的石墨烯条分别转移到一个一个光栅上，就可以测试出一系列石墨烯k角与它对应的光程差的数据(以纳米表示)，从而完成测绘单层石墨烯的光程差曲线，如图1所示。
79.然后，基于步骤1和步骤2，从石墨烯光程差曲线，详细解出石墨烯的真空通道
80.由图1，可见曲线与横轴(即k角轴)有6个交点。在这些交点处，必然光程差
81.opd＝0。
82.从而石墨烯的折射率n＝1。
83.根据光学理论和电动力学理论，说明此时具有这些k角的石墨烯是真空通道。
84.图1中的6个真空通道是：
85.opd＝0条件下，k＝84.81
°
，86.11
°
，89.91
°
，其余3个按opd＝0类推。
86.最后基于上述步骤1，步骤2和步骤3，按真空通道的k角，例如k＝84.81
°
，由石墨烯工厂制造转移石墨烯条到玻璃板上，制备石墨烯超导测试元件，把该元件放入图2的测试装置就可实现常温常压中等湿度条件下石墨烯超导。
87.电压u分别输入300μv，200μv，100μv和0，共4挡。电压用电压表v计量。用电流表a测试此时流经石墨烯的电流i。特别地，当u≡0时测试得到的电流iscs，就是超导电流，用纳安(na)表示。若iscs存在，说明超导已经实现，因为此时u≡0，当然电阻r＝0。如图3所示，本发明已经达到iscs＝130na到140na，远远高于对比文件1的50na，并且我们的超导持续性实验已有两个月。
88.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。