神奇的手性超導：超導與磁性可以共存？

近期，MIT的物理學家在

Nature

撰文| 羅會仟（中國科學院物理研究所）

“如果你覺得自己超導了，那就舉個手！”這句話對超導界的明星之一——石墨烯而言，是經常發生的事情。科學家們在石墨烯的各種形態，以及摻雜、轉角等特殊狀態下都發現了超導現象。如今，這句話對于“ 菱方石墨烯 ”來說，還要再反問一句：“是舉左手，還是舉右手呢？”因為這類特殊的石墨烯里呈現了一種“手性超導”的神奇狀態。

為什么石墨烯如此受到超導科學家們的青睞？什么是菱方石墨烯？什么是手性超導？究竟實現手性超導有什么重要意義？

說到石墨烯，很多人大概都有所耳聞，它是世界上第一個二維材料，僅僅由一層六角形碳原子組成。石墨是鉛筆芯的主要材料，它最大的特點就是具有層狀結構。最早科學家可以通過手撕石墨，或者借助化學氣相生長的方法，得到這種單原子層的石墨烯。

石墨烯不僅是二維材料家族里的明星，也是超導材料的明星。十幾年前，科學家就已經在堿金屬摻雜的石墨烯中發現了超導現象。2018年，曹原的“魔法”轉角石墨烯更是出現了類似高溫超導的物理現象，從而開啟了全新的“轉角超導二維材料”研究領域。

轉角石墨烯與摩爾超晶格

當然，石墨烯的玩法不僅限于這些。傳統石墨中的石墨烯堆垛方式一般叫作ABAB，也就是 每層碳原子在垂直方向呈現錯位排列 ，然后交錯堆疊。轉角石墨烯則是兩層或多層石墨烯之間存在特定的轉角，結果就是導致原子分布的周期被擴大了很多，也即存在所謂莫爾超晶格。兩者相互結合，就會出現石墨烯的另一種ABC的堆垛方式， 常見于三層及以上石墨烯體系，各層碳原子沿特定角度旋轉 ，或者說相鄰碳原子層之間沿碳—碳鍵方向發生平移，整體 形成菱面體對稱結構 ，這就是菱方石墨烯 。 菱方石墨烯的“魔性”更強，因為它在不同堆垛方式或轉角情況下可以呈現出豐富的量子物態，例如強電子關聯、超導、鐵磁、鐵電以及拓撲電子態等等。這一系列量子物態是新型量子器件和拓撲量子計算的重要基礎。

菱方石墨烯的堆垛方式

在菱方石墨烯中，物理學家們最期待的現象之一，就是所謂的“手性超導”。就像我們人類的左手和右手，永遠無法通過簡單的旋轉而互相重合。自然界的材料結構和物性也可能存在“手性”，例如一些有機分子的結構就可以分出“左”和“右”，它們只能通過照鏡子的方式實現互相重合。在復雜的磁性材料結構斯格明子（Skyrmion）中，也可以存在“左旋”和“右旋”兩類不同的磁矩排列方式，就像一個“刺猬”的球面，你試圖把箭頭朝左捋順，還是朝右捋順，是存在區別的。

菱方石墨烯中的超導電子對

超導電性的手性，就是形成超導的關鍵主體——庫珀電子對具有非零的角動量。簡單來說，就是讓這一對電子跳舞，它們能分清楚是朝左轉，還是朝右轉。正是因為朝左轉的和朝右轉的電子對數量不一樣，導致材料內部會存在所謂“軌道磁性”。這有點“反直覺”，因為通常情況下超導和鐵磁性是“水火不相容的”，材料內部有限磁矩的存在會極大破壞超導庫珀電子對的相位相干，甚至拆散電子對本身。所以進入超導態的材料往往具備完全抗磁性，它會把體內的磁通線統統排出到體外去，這樣零電阻的超導態才可以安心穩定存在。不過這里的“軌道磁性”實際上要比傳統的鐵磁性要弱得多，僅僅是因為電子轉圈圈，就像電流轉圈引起磁性一樣，導致微觀層面有微弱的磁性。

好了，這下你可能大概明白，手 性超導體 中是允許磁性與超導共存的。我們可以更具體一點，手性超導體中軌道磁性，實際上是和超導電流存在螺旋手性耦合的。也就是說，超導電流朝左邊流動，和朝右邊流動，對應的軌道磁性的方向，是相反的！就像宏觀世界里的安培定則一樣。

正是因為這類手性超導的特殊性，在材料邊緣會出現受到拓撲保護的狀態，進而實現準粒子形式的馬約拉納費米子——一種正粒子和反粒子都是它自己的神奇粒子。馬約拉納費米子，或馬約拉納零能模是拓撲量子計算的核心載體，而拓撲量子計算則是一種非常誘人的量子計算機實現方式。在拓撲保護下，它具有很好的容錯性，有可能讓我們能以一種新的方式打開量子計算世界的大門。

讓我們回到菱方石墨烯，在這種ABC堆垛方式的石墨結構里，大家發現不同堆垛層數會直接影響材料的性質，特別是對實現拓撲保護的電子態和超導的形成至關重要。在嘗試了各種層數的菱方石墨烯之后，來自美國麻省理工學院的研究人員終于發現四層和五層石墨烯可以存在穩定的手性超導現象，其最高轉變溫度達到了300 mK，也就是0.3 K。盡管這仍是非常接近絕對零度的一個極低溫，但讓科學家們感到激動的是，這類材料具有明顯的手性超導特征，也就是進入超導態之后存在時間反演對稱性破缺，而且電荷密度非常低。這種軌道磁矩鎖定超導電流的狀態，最明顯的表現就是在零磁場附近的電阻也存在類似“磁滯回線”的行為。也就是正向和反向加磁場去破壞超導態的過程中，會出現的電阻正負號不同，相當于反常霍爾效應那種信號。而且，該材料的臨界磁場可以達到1.4 T，比其他類型的石墨烯超導要高，說明庫珀電子對有著強耦合效應，應用的潛力更大。

手性超導的典型特征——電阻回滯

盡管科學家尚未能在四層或五層菱方石墨烯中發現馬約拉納費米子或零能模，但手性超導的強有力證據，意味著該材料可能是實現拓撲量子計算的候選者之一。未來，如果能夠進一步發現臨界溫度更高、性能更加優越的手性超導體，新一代的信息革命，或許會加速到來！

參考文獻

[1] Han, T., Lu, Z., Hadjri, Z. et al. Signatures of chiral superconductivity in rhombohedral graphene. Nature 643, 654–661 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09169-7

本文轉載自《返樸》微信公眾號

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