在超導(dǎo)材料中，電子會(huì)成對(duì)運(yùn)動(dòng)，就好像駛?cè)霌頂D道路中的專(zhuān)用通道，能夠以零能量損耗的方式穿越材料。這種電子成對(duì)行為使超導(dǎo)體擁有極高的能效，如今已被應(yīng)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(dǎo)體已被深入研究，但它們的應(yīng)用仍然有限。這是因?yàn)橐３制涑瑢?dǎo)性，就必須依賴(lài)復(fù)雜而昂貴的低溫制冷系統(tǒng)。因此，一些物理學(xué)家把研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了更有潛力的“非常規(guī)”超導(dǎo)體——這些材料的超導(dǎo)機(jī)制不同于常規(guī)超導(dǎo)體，無(wú)法用傳統(tǒng)超導(dǎo)理論來(lái)解釋。

近年來(lái)，一種被稱(chēng)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(dāng)多層石墨烯以特定角度（即“魔角”）疊加時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一系列奇異的量子現(xiàn)象。在過(guò)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(dǎo)性及其他異常電子行為的間接跡象。

現(xiàn)在，在一項(xiàng)新發(fā)表于《科學(xué)》雜志的研究中，一個(gè)國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)在這種材料中直接觀察到了非常規(guī)超導(dǎo)性的全新關(guān)鍵證據(jù)。尤其重要的是，研究團(tuán)隊(duì)成功測(cè)量了MATTG的超導(dǎo)能隙——這一性質(zhì)可反映材料在特定溫度下維持超導(dǎo)狀態(tài)的能力。結(jié)果顯示，MATTG的超導(dǎo)能隙看起來(lái)與常規(guī)超導(dǎo)體非常不同，這意味著其實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的機(jī)制也必然不同，屬于非常規(guī)機(jī)制。

研究人員在MATTG中觀測(cè)到了非常規(guī)超導(dǎo)性的清晰特征。圖中黃色小球代表了在MATTG 中傳輸?shù)某蓪?duì)超導(dǎo)電子，而放大鏡象征研究團(tuán)隊(duì)采用的新測(cè)量方法，V形光束則代表該材料所呈現(xiàn)的非常規(guī)超導(dǎo)能隙特征。（圖/Sampson Wilcox and Emily Theobald, MIT RLE）

關(guān)鍵的成對(duì)

石墨烯是一種由單層碳原子組成的材料，這些原子以類(lèi)似鐵絲網(wǎng)的六邊形結(jié)構(gòu)緊密排列。通過(guò)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(xué)家就預(yù)測(cè)，如果將兩層石墨烯以一個(gè)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(tuán)隊(duì)首次在實(shí)驗(yàn)中成功制備“魔角石墨烯”，并觀測(cè)到其非凡性質(zhì)。這一發(fā)現(xiàn)催生了一個(gè)全新的研究領(lǐng)域——“扭角電子學(xué)”（twistronics），專(zhuān)注于研究原子級(jí)薄層材料的精確扭角結(jié)構(gòu)。

此后，Jarillo-Herrero團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)的成果共同揭示，某些結(jié)構(gòu)中確實(shí)存在非常規(guī)超導(dǎo)性的跡象。

超導(dǎo)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(dāng)材料進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)時(shí)，電子會(huì)成對(duì)運(yùn)動(dòng)，形成所謂的“庫(kù)珀對(duì)”（Cooper pairs），從而無(wú)阻滑行，不再因碰撞而損失能量。這種電子配對(duì)是超導(dǎo)的根本機(jī)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(dǎo)體中，這些電子對(duì)彼此相隔較遠(yuǎn)，束縛也非常弱。但在魔角石墨烯中，科學(xué)家觀察到了電子對(duì)結(jié)合得非常緊密的特征，幾乎像是一個(gè)分子。有跡象表明，這種材料確實(shí)與眾不同。

穿“墻”而過(guò)

在最新研究中，研究團(tuán)隊(duì)希望能夠直接觀測(cè)并確認(rèn)魔角石墨烯結(jié)構(gòu)中的非常規(guī)超導(dǎo)性。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，他們必須測(cè)量這種材料的超導(dǎo)能隙。

科學(xué)家通常通過(guò)使用隧穿譜學(xué)等專(zhuān)門(mén)技術(shù)來(lái)測(cè)量材料的超導(dǎo)能隙。這種技術(shù)利用的是量子力學(xué)中的“隧穿效應(yīng)”：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(dòng)性在材料中“穿透”障礙物，實(shí)現(xiàn)所謂的“隧穿”，仿佛可以“穿墻而過(guò)”。

隧穿譜學(xué)測(cè)量可以反映電子進(jìn)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(qiáng)度和能量分布。當(dāng)材料處于超導(dǎo)態(tài)時(shí)，這種測(cè)量能夠呈現(xiàn)出超導(dǎo)能隙的特征。然而，僅靠隧穿譜學(xué)并不能總是確定材料是否真的處于超導(dǎo)狀態(tài)。因此，想要將隧穿信號(hào)與真正的超導(dǎo)能隙直接對(duì)應(yīng)起來(lái)，既至關(guān)重要，又存在實(shí)驗(yàn)上的挑戰(zhàn)。

在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種將電子隧穿測(cè)量與電輸運(yùn)相結(jié)合的新型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。電輸運(yùn)測(cè)量通過(guò)向材料施加電流并持續(xù)監(jiān)測(cè)其電阻來(lái)判斷其是否處于超導(dǎo)狀態(tài)——當(dāng)電阻降為零時(shí)，就表明材料進(jìn)入了超導(dǎo)態(tài)。

研究團(tuán)隊(duì)利用這一平臺(tái)測(cè)量了MATTG的超導(dǎo)能隙。通過(guò)在同一器件中同時(shí)進(jìn)行隧穿和輸運(yùn)測(cè)量，他們能夠明確識(shí)別出超導(dǎo)隧穿能隙。隨后，他們追蹤了該能隙在不同溫度和磁場(chǎng)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(dǎo)體平滑、均勻的能隙形態(tài)截然不同。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)讓電子在兩層MATTG（黃色）之間“隧穿”，并同時(shí)檢測(cè)其超導(dǎo)表現(xiàn)，從而測(cè)量超導(dǎo)能隙，首次清晰證明了MATTG屬于非常規(guī)超導(dǎo)體。（圖/Park et al. via MIT News）

這種V形輪廓表明，MATTG中電子成對(duì)實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的機(jī)制是非常規(guī)的。至于這種機(jī)制究竟是什么，目前仍不得而知。但MATTG的超導(dǎo)能隙形態(tài)與常規(guī)超導(dǎo)體顯著不同這一事實(shí)，已構(gòu)成關(guān)鍵證據(jù)表明它屬于非常規(guī)超導(dǎo)體。

在常規(guī)超導(dǎo)體中，電子配對(duì)主要由原子晶格振動(dòng)促成，但MATTG中的配對(duì)機(jī)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(duì)源自強(qiáng)電子相互作用，而非晶格振動(dòng)。這意味著電子依靠彼此的相互作用來(lái)完成配對(duì)，從而形成了具有特殊對(duì)稱(chēng)性的超導(dǎo)態(tài)。

通往室溫超導(dǎo)

未來(lái)，如果能讓超導(dǎo)體在更高溫度、甚至在接近室溫條件下工作，將會(huì)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(shí)用化的量子計(jì)算設(shè)備。

而超導(dǎo)能隙可以為科學(xué)家提供線(xiàn)索，幫助判斷哪些機(jī)制有可能實(shí)現(xiàn)最終造福人類(lèi)社會(huì)的室溫超導(dǎo)材料。這項(xiàng)研究通過(guò)發(fā)展一種全新的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使得研究團(tuán)隊(duì)能夠在二維材料中出現(xiàn)超導(dǎo)性的過(guò)程中，實(shí)時(shí)觀測(cè)超導(dǎo)能隙。

研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃利用這一平臺(tái)來(lái)測(cè)試其他二維扭角結(jié)構(gòu)和材料，以深入揭示超導(dǎo)和其他量子相的底層電子結(jié)構(gòu)。這種直接觀測(cè)能夠揭示電子如何配對(duì)和與其他量子態(tài)競(jìng)爭(zhēng)，從而為設(shè)計(jì)和調(diào)控新型超導(dǎo)體和量子材料鋪平道路。

#參考來(lái)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(lái)源：

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