在超導材料中，電子會成對運動，就好像駛?cè)霌頂D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(guī)”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(tǒng)。因此，一些物理學家把研究重點轉(zhuǎn)向了更有潛力的“非常規(guī)”超導體——這些材料的超導機制不同于常規(guī)超導體，無法用傳統(tǒng)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(guān)注。石墨烯由單層碳原子構(gòu)成，當多層石墨烯以特定角度（即“魔角”）疊加時，會出現(xiàn)一系列奇異的量子現(xiàn)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(zhuǎn)三層石墨烯），已經(jīng)表現(xiàn)出非常規(guī)超導性及其他異常電子行為的間接跡象。

現(xiàn)在，在一項新發(fā)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(guī)超導性的全新關(guān)鍵證據(jù)。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(zhì)可反映材料在特定溫度下維持超導狀態(tài)的能力。結(jié)果顯示，MATTG的超導能隙看起來與常規(guī)超導體非常不同，這意味著其實現(xiàn)超導的機制也必然不同，屬于非常規(guī)機制。

研究人員在MATTG中觀測到了非常規(guī)超導性的清晰特征。圖中黃色小球代表了在MATTG 中傳輸?shù)某蓪Τ瑢щ娮?，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(xiàn)的非常規(guī)超導能隙特征。（圖/Sampson Wilcox and Emily Theobald, MIT RLE）

關(guān)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(wǎng)的六邊形結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)將表現(xiàn)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(zhì)。這一發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)。

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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)中確實存在非常規(guī)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(xiàn)的一種狀態(tài)。當材料進入超導態(tài)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(jié)合方式差異很大。

在常規(guī)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(jié)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(jié)構(gòu)中的非常規(guī)超導性。要實現(xiàn)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(shù)來測量材料的超導能隙。這種技術(shù)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(xiàn)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(xiàn)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(jié)合強度和能量分布。當材料處于超導態(tài)時，這種測量能夠呈現(xiàn)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(tài)。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(guān)重要，又存在實驗上的挑戰(zhàn)。

在這項研究中，研究團隊研發(fā)了一種將電子隧穿測量與電輸運相結(jié)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(xù)監(jiān)測其電阻來判斷其是否處于超導狀態(tài)——當電阻降為零時，就表明材料進入了超導態(tài)。

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(xiàn)出明顯的“V形”特征，這與常規(guī)超導體平滑、均勻的能隙形態(tài)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(xiàn)，從而測量超導能隙，首次清晰證明了MATTG屬于非常規(guī)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(xiàn)超導的機制是非常規(guī)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(tài)與常規(guī)超導體顯著不同這一事實，已構(gòu)成關(guān)鍵證據(jù)表明它屬于非常規(guī)超導體。

在常規(guī)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(jù)現(xiàn)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(tài)。

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(wǎng)和超高效傳輸系統(tǒng)，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(xiàn)最終造福人類社會的室溫超導材料。這項研究通過發(fā)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(xiàn)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(jié)構(gòu)和材料，以深入揭示超導和其他量子相的底層電子結(jié)構(gòu)。這種直接觀測能夠揭示電子如何配對和與其他量子態(tài)競爭，從而為設計和調(diào)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