MIT突破性發(fā)現(xiàn)！魔角三層石墨烯首現(xiàn)非常規(guī)超導(dǎo)直接證據(jù)

（來源：MIT News）

超導(dǎo)體常被稱為電流世界的“高速列車”，電子在其中能夠無阻力穿行、幾乎不損耗能量。正因如此，它們是核磁共振設(shè)備、粒子加速器等高能系統(tǒng)的核心。但常規(guī)超導(dǎo)體要在極低溫環(huán)境下才能工作，需要龐大的冷卻裝置，這也極大限制了它們的應(yīng)用范圍。

如果有一天能在常溫下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，意味著從零能耗電網(wǎng)、超高效能計(jì)算，到實(shí)用化的量子計(jì)算系統(tǒng)的廣泛落地，都將成為現(xiàn)實(shí)。為此，科學(xué)家們正積極探索所謂“非常規(guī)超導(dǎo)體”，那些以不同于傳統(tǒng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的材料。

近日，麻省理工學(xué)院（MIT）物理學(xué)家取得了一項(xiàng)突破，他們首次在魔角扭轉(zhuǎn)三層石墨烯（Magic-Angle Twisted Trilayer Graphene，簡稱 MATTG）中，直接觀測到非常規(guī)超導(dǎo)性的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)證據(jù)。這種材料由三層原子級(jí)薄的石墨烯堆疊而成，并以特定的“魔角”扭轉(zhuǎn)，從而激發(fā)出奇特的量子特性。這一成果發(fā)表在 Science 上。

“魔角”的奧秘

石墨烯是一種由碳原子組成的單層二維材料，原子間以六邊形方式排列，形似“蜂巢”或“鐵絲網(wǎng)”。通過精細(xì)剝離石墨塊中的薄片，人們可以獲得原子級(jí)厚度的石墨烯。

早在 2010 年代，理論物理學(xué)家就預(yù)測：如果將兩層石墨烯以一個(gè)特定角度堆疊，所得結(jié)構(gòu)可能展現(xiàn)出奇異的電子行為。

2018 年，該研究的負(fù)責(zé)人帕布羅·哈里略-赫雷羅（Pablo Jarillo-Herrero）團(tuán)隊(duì)首次在實(shí)驗(yàn)中成功制備出“魔角雙層石墨烯”，并發(fā)現(xiàn)了其獨(dú)特的量子特性。這一發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)了全新的研究方向，“扭轉(zhuǎn)電子學(xué)”（Twistronics），即通過精確控制二維材料的堆疊角度來調(diào)控其物理性質(zhì)。此后，該團(tuán)隊(duì)研究了多種魔角結(jié)構(gòu)，包括雙層、三層及其他多層石墨烯組合，以及其他二維材料的扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。不同研究組的成果表明，其中部分結(jié)構(gòu)可能具有非常規(guī)超導(dǎo)的特征。

超導(dǎo)是一種特殊狀態(tài)：在某些條件（通常是低溫）下，材料內(nèi)的電子會(huì)不再相互排斥，而是兩兩配對，以所謂的“庫珀對”形式存在。這種電子對能夠無阻力地在材料中滑行，不再碰撞散射、造成能量損耗。這種“配對”機(jī)制是超導(dǎo)現(xiàn)象的核心，但電子如何結(jié)合在一起、形成配對的方式卻可能千差萬別。

“在常規(guī)超導(dǎo)體中，這些電子對之間距離較遠(yuǎn)、結(jié)合較弱，”第一作者樸貞敏（Jeong Min Park）解釋道，“但在魔角石墨烯中，我們早已看到一些跡象表明這些電子對結(jié)合得非常緊密，幾乎像一個(gè)分子，這說明它的超導(dǎo)機(jī)制與眾不同。”

穿隧觀察

在這項(xiàng)新研究中，MIT 團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是直接確認(rèn)魔角石墨烯結(jié)構(gòu)中的非常規(guī)超導(dǎo)性。要做到這一點(diǎn)，關(guān)鍵就在于測量材料的超導(dǎo)能隙，這是判斷超導(dǎo)類型的核心指標(biāo)

MIT 團(tuán)隊(duì)通過一種全新的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，首次直接測量了魔角三層石墨烯的超導(dǎo)能隙。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)合電子隧穿與電輸運(yùn)測量。

傳統(tǒng)的“隧穿譜”可以揭示電子在量子尺度下如何穿透材料勢壘，但并不能確定材料是否真正處于超導(dǎo)狀態(tài)。MIT 團(tuán)隊(duì)的創(chuàng)新在于將其與電阻測量結(jié)合：只有當(dāng)材料的電阻完全降為零（即進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)）時(shí)，他們才在信號(hào)中觀測到對應(yīng)的能隙峰值。這一方法讓科學(xué)家首次能夠?qū)崟r(shí)觀測二維材料中超導(dǎo)能隙的生成與演化過程，大幅提升了研究的精度與確定性。

實(shí)驗(yàn)顯示，該材料的能隙形狀呈現(xiàn)明顯的“V”字形，與常規(guī)超導(dǎo)體平滑的能隙曲線截然不同。這一獨(dú)特特征意味著，MATTG 內(nèi)部電子的配對機(jī)制并非傳統(tǒng)晶格振動(dòng)所致，而是可能由電子之間的強(qiáng)相互作用驅(qū)動(dòng)——這是非常規(guī)超導(dǎo)的重要標(biāo)志。

未來，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃利用這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究更多二維“扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)”材料，以繪制出不同體系下超導(dǎo)能隙的全貌，為新型高溫甚至室溫超導(dǎo)體的設(shè)計(jì)提供線索。

“這項(xiàng)平臺(tái)讓我們能夠在同一樣品上同時(shí)識(shí)別并追蹤超導(dǎo)態(tài)與其他量子態(tài)的競爭與轉(zhuǎn)化，為未來量子材料和量子計(jì)算機(jī)奠定基礎(chǔ)。”樸貞敏表示。

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

2.Jeong Min Park et al. ,Experimental evidence for nodal superconducting gap in moiré graphene.Science0,eadv8376DOI:10.1126/science.adv8376