在魔角石墨烯中，发现不同寻常的超导现象！

在超导材料中，电子会成对运动，就好像驶入拥挤道路中的专用通道，能够以零能量损耗的方式穿越材料。这种电子成对行为使超导体拥有极高的能效，如今已被应用于核磁共振成像仪、粒子加速器等装置中。

尽管这些“常规”超导体已被深入研究，但它们的应用仍然有限。这是因为要保持其超导性，就必须依赖复杂而昂贵的低温制冷系统。因此，一些物理学家把研究重点转向了更有潜力的“非常规”超导体——这些材料的超导机制不同于常规超导体，无法用传统超导理论来解释。

近年来，一种被称为“魔角”石墨烯的材料备受关注。石墨烯由单层碳原子构成，当多层石墨烯以特定角度（即“魔角”）叠加时，会出现一系列奇异的量子现象。在过去的一些研究中，将三层石墨烯以“魔角”叠放形成的MATTG（魔角扭转三层石墨烯），已经表现出非常规超导性及其他异常电子行为的间接迹象。

现在，在一项新发表于《科学》杂志的研究中，一个国际研究团队在这种材料中直接观察到了非常规超导性的全新关键证据。尤其重要的是，研究团队成功测量了MATTG的超导能隙——这一性质可反映材料在特定温度下维持超导状态的能力。结果显示，MATTG的超导能隙看起来与常规超导体非常不同，这意味着其实现超导的机制也必然不同，属于非常规机制。

研究人员在MATTG中观测到了非常规超导性的清晰特征。图中黄色小球代表了在MATTG 中传输的成对超导电子，而放大镜象征研究团队采用的新测量方法，V形光束则代表该材料所呈现的非常规超导能隙特征。（图/Sampson Wilcox and Emily Theobald, MIT RLE）

关键的成对

石墨烯是一种由单层碳原子组成的材料，这些原子以类似铁丝网的六边形结构紧密排列。通过小心地从一块石墨（与铅笔芯成分相同）中剥离出原子厚度的薄片，就能得到一层石墨烯。早在2010年代，理论学家就预测，如果将两层石墨烯以一个极为特殊的角度叠放，所得到的结构将表现出奇异的电子行为。

2018年，Pablo Jarillo-Herrero团队首次在实验中成功制备“魔角石墨烯”，并观测到其非凡性质。这一发现催生了一个全新的研究领域——“扭角电子学”（twistronics），专注于研究原子级薄层材料的精确扭角结构。

此后，Jarillo-Herrero团队研究了由两层、三层乃至更多层组成的不同魔角石墨烯结构，以及其他二维材料的堆叠与扭角体系。他们与其他研究团队的成果共同揭示，某些结构中确实存在非常规超导性的迹象。

超导性是材料在特定条件下（通常是极低温）呈现的一种状态。当材料进入超导态时，电子会成对运动，形成所谓的“库珀对”（Cooper pairs），从而无阻滑行，不再因碰撞而损失能量。这种电子配对是超导的根本机制，但不同材料中电子之间的结合方式差异很大。

在常规超导体中，这些电子对彼此相隔较远，束缚也非常弱。但在魔角石墨烯中，科学家观察到了电子对结合得非常紧密的特征，几乎像是一个分子。有迹象表明，这种材料确实与众不同。

穿“墙”而过

在最新研究中，研究团队希望能够直接观测并确认魔角石墨烯结构中的非常规超导性。要实现这一点，他们必须测量这种材料的超导能隙。

科学家通常通过使用隧穿谱学等专门技术来测量材料的超导能隙。这种技术利用的是量子力学中的“隧穿效应”：在量子尺度下，电子不仅表现为粒子，也具有波的属性；正因如此，电子能够利用其波动性在材料中“穿透”障碍物，实现所谓的“隧穿”，仿佛可以“穿墙而过”。

隧穿谱学测量可以反映电子进入材料的难易程度，并在一定程度上揭示材料中电子的结合强度和能量分布。当材料处于超导态时，这种测量能够呈现出超导能隙的特征。然而，仅靠隧穿谱学并不能总是确定材料是否真的处于超导状态。因此，想要将隧穿信号与真正的超导能隙直接对应起来，既至关重要，又存在实验上的挑战。

在这项研究中，研究团队研发了一种将电子隧穿测量与电输运相结合的新型实验平台。电输运测量通过向材料施加电流并持续监测其电阻来判断其是否处于超导状态——当电阻降为零时，就表明材料进入了超导态。

研究团队利用这一平台测量了MATTG的超导能隙。通过在同一器件中同时进行隧穿和输运测量，他们能够明确识别出超导隧穿能隙。随后，他们追踪了该能隙在不同温度和磁场条件下的变化情况。值得注意的是，MATTG的能隙呈现出明显的“V形”特征，这与常规超导体平滑、均匀的能隙形态截然不同。

研究团队通过让电子在两层MATTG（黄色）之间“隧穿”，并同时检测其超导表现，从而测量超导能隙，首次清晰证明了MATTG属于非常规超导体。（图/Park et al. via MIT News）

这种V形轮廓表明，MATTG中电子成对实现超导的机制是非常规的。至于这种机制究竟是什么，目前仍不得而知。但MATTG的超导能隙形态与常规超导体显著不同这一事实，已构成关键证据表明它属于非常规超导体。

在常规超导体中，电子配对主要由原子晶格振动促成，但MATTG中的配对机制可能完全不同。根据现有理论，魔角石墨烯中的电子配对源自强电子相互作用，而非晶格振动。这意味着电子依靠彼此的相互作用来完成配对，从而形成了具有特殊对称性的超导态。

通往室温超导

未来，如果能让超导体在更高温度、甚至在接近室温条件下工作，将会彻底改变能源与科技格局——从零能量损耗的电网和超高效传输系统，到真正实用化的量子计算设备。

而超导能隙可以为科学家提供线索，帮助判断哪些机制有可能实现最终造福人类社会的室温超导材料。这项研究通过发展一种全新的实验平台，使得研究团队能够在二维材料中出现超导性的过程中，实时观测超导能隙。

研究团队计划利用这一平台来测试其他二维扭角结构和材料，以深入揭示超导和其他量子相的底层电子结构。这种直接观测能够揭示电子如何配对和与其他量子态竞争，从而为设计和调控新型超导体和量子材料铺平道路。

#参考来源：

https://news.mit.edu/2025/physicists-observe-evidence-unconventional-superconductivity-graphene-1106

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adv8376

#图片来源：

封面图&首图：Sampson Wilcox and Emily Theobald, MIT RLE