在魔角石墨烯中，發現不同尋常的超導現象！

在超導材料中，電子會成對運動，就好像駛入擁擠道路中的專用通道，能夠以零能量損耗的方式穿越材料。這種電子成對行為使超導體擁有極高的能效，如今已被應用于核磁共振成像儀、粒子加速器等裝置中。

盡管這些“常規”超導體已被深入研究，但它們的應用仍然有限。這是因為要保持其超導性，就必須依賴復雜而昂貴的低溫制冷系統。因此，一些物理學家把研究重點轉向了更有潛力的“非常規”超導體——這些材料的超導機制不同于常規超導體，無法用傳統超導理論來解釋。

近年來，一種被稱為“魔角”石墨烯的材料備受關注。石墨烯由單層碳原子構成，當多層石墨烯以特定角度（即“魔角”）疊加時，會出現一系列奇異的量子現象。在過去的一些研究中，將三層石墨烯以“魔角”疊放形成的MATTG（魔角扭轉三層石墨烯），已經表現出非常規超導性及其他異常電子行為的間接跡象。

現在，在一項新發表于《科學》雜志的研究中，一個國際研究團隊在這種材料中直接觀察到了非常規超導性的全新關鍵證據。尤其重要的是，研究團隊成功測量了MATTG的超導能隙——這一性質可反映材料在特定溫度下維持超導狀態的能力。結果顯示，MATTG的超導能隙看起來與常規超導體非常不同，這意味著其實現超導的機制也必然不同，屬于非常規機制。

研究人員在MATTG中觀測到了非常規超導性的清晰特征。圖中黃色小球代表了在MATTG 中傳輸的成對超導電子，而放大鏡象征研究團隊采用的新測量方法，V形光束則代表該材料所呈現的非常規超導能隙特征。（圖/Sampson Wilcox and Emily Theobald, MIT RLE）

關鍵的成對

石墨烯是一種由單層碳原子組成的材料，這些原子以類似鐵絲網的六邊形結構緊密排列。通過小心地從一塊石墨（與鉛筆芯成分相同）中剝離出原子厚度的薄片，就能得到一層石墨烯。早在2010年代，理論學家就預測，如果將兩層石墨烯以一個極為特殊的角度疊放，所得到的結構將表現出奇異的電子行為。

2018年，Pablo Jarillo-Herrero團隊首次在實驗中成功制備“魔角石墨烯”，并觀測到其非凡性質。這一發現催生了一個全新的研究領域——“扭角電子學”（twistronics），專注于研究原子級薄層材料的精確扭角結構。

此后，Jarillo-Herrero團隊研究了由兩層、三層乃至更多層組成的不同魔角石墨烯結構，以及其他二維材料的堆疊與扭角體系。他們與其他研究團隊的成果共同揭示，某些結構中確實存在非常規超導性的跡象。

超導性是材料在特定條件下（通常是極低溫）呈現的一種狀態。當材料進入超導態時，電子會成對運動，形成所謂的“庫珀對”（Cooper pairs），從而無阻滑行，不再因碰撞而損失能量。這種電子配對是超導的根本機制，但不同材料中電子之間的結合方式差異很大。

在常規超導體中，這些電子對彼此相隔較遠，束縛也非常弱。但在魔角石墨烯中，科學家觀察到了電子對結合得非常緊密的特征，幾乎像是一個分子。有跡象表明，這種材料確實與眾不同。

穿“墻”而過

在最新研究中，研究團隊希望能夠直接觀測并確認魔角石墨烯結構中的非常規超導性。要實現這一點，他們必須測量這種材料的超導能隙。

科學家通常通過使用隧穿譜學等專門技術來測量材料的超導能隙。這種技術利用的是量子力學中的“隧穿效應”：在量子尺度下，電子不僅表現為粒子，也具有波的屬性；正因如此，電子能夠利用其波動性在材料中“穿透”障礙物，實現所謂的“隧穿”，仿佛可以“穿墻而過”。

隧穿譜學測量可以反映電子進入材料的難易程度，并在一定程度上揭示材料中電子的結合強度和能量分布。當材料處于超導態時，這種測量能夠呈現出超導能隙的特征。然而，僅靠隧穿譜學并不能總是確定材料是否真的處于超導狀態。因此，想要將隧穿信號與真正的超導能隙直接對應起來，既至關重要，又存在實驗上的挑戰。

在這項研究中，研究團隊研發了一種將電子隧穿測量與電輸運相結合的新型實驗平臺。電輸運測量通過向材料施加電流并持續監測其電阻來判斷其是否處于超導狀態——當電阻降為零時，就表明材料進入了超導態。

研究團隊利用這一平臺測量了MATTG的超導能隙。通過在同一器件中同時進行隧穿和輸運測量，他們能夠明確識別出超導隧穿能隙。隨后，他們追蹤了該能隙在不同溫度和磁場條件下的變化情況。值得注意的是，MATTG的能隙呈現出明顯的“V形”特征，這與常規超導體平滑、均勻的能隙形態截然不同。

研究團隊通過讓電子在兩層MATTG（黃色）之間“隧穿”，并同時檢測其超導表現，從而測量超導能隙，首次清晰證明了MATTG屬于非常規超導體。（圖/Park et al. via MIT News）

這種V形輪廓表明，MATTG中電子成對實現超導的機制是非常規的。至于這種機制究竟是什么，目前仍不得而知。但MATTG的超導能隙形態與常規超導體顯著不同這一事實，已構成關鍵證據表明它屬于非常規超導體。

在常規超導體中，電子配對主要由原子晶格振動促成，但MATTG中的配對機制可能完全不同。根據現有理論，魔角石墨烯中的電子配對源自強電子相互作用，而非晶格振動。這意味著電子依靠彼此的相互作用來完成配對，從而形成了具有特殊對稱性的超導態。

通往室溫超導

未來，如果能讓超導體在更高溫度、甚至在接近室溫條件下工作，將會徹底改變能源與科技格局——從零能量損耗的電網和超高效傳輸系統，到真正實用化的量子計算設備。

而超導能隙可以為科學家提供線索，幫助判斷哪些機制有可能實現最終造福人類社會的室溫超導材料。這項研究通過發展一種全新的實驗平臺，使得研究團隊能夠在二維材料中出現超導性的過程中，實時觀測超導能隙。

研究團隊計劃利用這一平臺來測試其他二維扭角結構和材料，以深入揭示超導和其他量子相的底層電子結構。這種直接觀測能夠揭示電子如何配對和與其他量子態競爭，從而為設計和調控新型超導體和量子材料鋪平道路。

#參考來源：

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

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

#圖片來源：

封面圖&首圖：Sampson Wilcox and Emily Theobald, MIT RLE