《科学》重磅：观察魔角石墨烯中非常规超导的关键证据

随着“扭角电子学”的出现——即以魔角扭曲双层石墨烯中奇异物态的发现为代表——凝聚态物理领域被彻底革新。其中，最激动人心的发现之一就是超导电性在莫尔体系中的涌现。这种现象与源自超平电子能带的强电子-电子相互作用紧密相关。虽然超导现象的存在很快得到证实，但确定其基本性质，尤其是超导能隙的对称性和结构，仍然是一项更具挑战性且至关重要的任务。最近发表在《科学》的突破性实验证据，证实了莫尔石墨烯，特别是魔角扭曲三层石墨烯中存在节点超导能隙，为该体系承载着一种非传统超导形式提供了最确凿的证据，将其置于与高温铜氧化物超导体相同的神秘类别。

确定配对对称性的探索

超导电性发生在电子配对形成库珀对，使电流能够以零电阻流动。这些库珀对的稳定性由超导能隙 (Δ)来量化，它本质上是打破一个库珀对所需的最小能量。在传统的超导体中，如金属单质，配对由晶格振动（声子）介导，导致s波对称性。这意味着能隙在整个费米面上都是恒定的，在电子态密度中形成一个平坦底部、光滑的最小值，即全能隙。

然而，在非传统超导体中——例如高温铜氧化物——配对机制被认为涉及强电子关联，从而导致更复杂、各向异性的能隙对称性，如d。这些非s波对称性具有节点：费米面上能隙能量Δ(k)降为零的点或线。对这些节点的识别是非传统超导电性的决定性证据，因为它直接探测了库珀对波函数的对称性。

实验方法：隧穿谱与输运测量

莫尔石墨烯面临的核心挑战是其能标较小且具有二维特性，这使得传统的块体探针难以奏效。关键的突破性实验依赖于两种技术的精密结合：

1. 隧穿谱：该技术通常通过扫描隧道显微镜（STM）进行，或如在关键的莫尔实验中，采用双栅极平面结结构，直接测量材料的电子态密度（DOS）。隧道结的微分电导 (dI/dV) 与 DOS 成正比。在超导体中，费米能级附近的 DOS 会形成能隙，从而揭示Δ的结构。
2. 电输运测量：这用于测量材料的电阻。真正超导电性的明确标志是低于临界温度 (Tc) 时的零电阻。

通过在同一魔角扭曲三层石墨烯器件上进行同步的隧穿谱和输运测量，研究人员能够无可辩驳地将观察到的能隙光谱特征与真实的零电阻超导态联系起来。这消除了以往实验中的歧义，即光谱能隙（也可能是赝能隙）无法被明确关联至真实的超导电性。

节点能隙的标志

最主要的实验发现是超导 DOS 谱的特征形状：

• V 形电导：与传统s波全能隙预期的平底“U”形不同，魔角扭曲三层石墨烯中的隧穿电导 (dI/dV) 在零偏压附近呈现出明显的 “V” 形。这种 V 形是节点能隙在光谱上的标志。在节点超导体中，准粒子激发可以存在于任意低的能量（在节点处），导致 DOS 在费米能级附近与能量呈线性关系，即DOS(E)∝ |E|。
• Volovik 效应与线性温度依赖性：进一步的证据来自于研究材料属性在外部条件下的变化。超导 DOS 随着温度和磁场的增加表现出线性填充行为，这种现象被称为 Volovik 效应。具体来说，节点超导体的超流密度（与动能电感相关）在低温下趋近于T=0时应与温度成比例，ρs(T)∝1-aT。观察到这种线性依赖关系，而非全能隙预期的指数衰减，有力地证实了节点序参量的结论。

这些综合观测——V 形隧穿谱、能隙填充的线性温度依赖性以及 Volovik 效应——为魔角莫尔石墨烯中的超导电性由非s波的节点对称性支配提供了令人信服且一致的证据。

对非传统配对机制的深远影响

节点超导能隙在莫尔石墨烯中的确立具有深远的意义：

• 强电子关联机制：节点能隙对称性无法用 Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) 理论中微弱的声子介导耦合来解释。它强烈表明莫尔石墨烯中的超导电性是由超平莫尔能带结构固有的强电子-电子相互作用驱动的。这种机制与假设中的高温铜氧化物和铁基超导体中的奇异配对机制相似。
• 莫尔超晶格作为量子模拟器：莫尔体系的独特可调控性（通过扭角、栅极电压和应变）使其成为一个高度可控的平台，用于系统地研究竞争和共存量子态之间复杂的相互作用。理解节点对称性是揭示这种新型关联超导体微观起源的第一步。
• 迈向高温超导： 通过提供一个干净、二维和高度可调的模型系统，对莫尔石墨烯的研究为支持非传统配对机制的一般条件提供了关键的见解。这些知识对于理性设计能够在更高、甚至室温下实现超导的材料这一长期目标来说，是无价的——这是凝聚态物理领域的“圣杯”。

总而言之，魔角扭曲三层石墨烯中节点超导能隙的直接实验观测标志着一个里程碑式的时刻。它巩固了莫尔石墨烯作为非传统超导主要研究平台的地位，并提供了一个关键的光谱标志，将这种二维材料与最神秘且最有前景的高 Tc 超导体联系起来。对这种节点配对的对称性和机制的持续研究，无疑将指导下一代超导技术的探索。