隨著“扭角電子學(xué)”的出現(xiàn)——即以魔角扭曲雙層石墨烯中奇異物態(tài)的發(fā)現(xiàn)為代表——凝聚態(tài)物理領(lǐng)域被徹底革新。其中，最激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)之一就是超導(dǎo)電性在莫爾體系中的涌現(xiàn)。這種現(xiàn)象與源自超平電子能帶的強(qiáng)電子-電子相互作用緊密相關(guān)。雖然超導(dǎo)現(xiàn)象的存在很快得到證實(shí)，但確定其基本性質(zhì)，尤其是超導(dǎo)能隙的對(duì)稱性和結(jié)構(gòu)，仍然是一項(xiàng)更具挑戰(zhàn)性且至關(guān)重要的任務(wù)。最近發(fā)表在《科學(xué)》的突破性實(shí)驗(yàn)證據(jù)，證實(shí)了莫爾石墨烯，特別是魔角扭曲三層石墨烯中存在節(jié)點(diǎn)超導(dǎo)能隙，為該體系承載著一種非傳統(tǒng)超導(dǎo)形式提供了最確鑿的證據(jù)，將其置于與高溫銅氧化物超導(dǎo)體相同的神秘類別。

確定配對(duì)對(duì)稱性的探索

超導(dǎo)電性發(fā)生在電子配對(duì)形成庫(kù)珀對(duì)，使電流能夠以零電阻流動(dòng)。這些庫(kù)珀對(duì)的穩(wěn)定性由超導(dǎo)能隙 (Δ)來量化，它本質(zhì)上是打破一個(gè)庫(kù)珀對(duì)所需的最小能量。在傳統(tǒng)的超導(dǎo)體中，如金屬單質(zhì)，配對(duì)由晶格振動(dòng)（聲子）介導(dǎo)，導(dǎo)致s波對(duì)稱性。這意味著能隙在整個(gè)費(fèi)米面上都是恒定的，在電子態(tài)密度中形成一個(gè)平坦底部、光滑的最小值，即全能隙。

然而，在非傳統(tǒng)超導(dǎo)體中——例如高溫銅氧化物——配對(duì)機(jī)制被認(rèn)為涉及強(qiáng)電子關(guān)聯(lián)，從而導(dǎo)致更復(fù)雜、各向異性的能隙對(duì)稱性，如d。這些非s波對(duì)稱性具有節(jié)點(diǎn)：費(fèi)米面上能隙能量Δ(k)降為零的點(diǎn)或線。對(duì)這些節(jié)點(diǎn)的識(shí)別是非傳統(tǒng)超導(dǎo)電性的決定性證據(jù)，因?yàn)樗苯犹綔y(cè)了庫(kù)珀對(duì)波函數(shù)的對(duì)稱性。

實(shí)驗(yàn)方法：隧穿譜與輸運(yùn)測(cè)量

莫爾石墨烯面臨的核心挑戰(zhàn)是其能標(biāo)較小且具有二維特性，這使得傳統(tǒng)的塊體探針難以奏效。關(guān)鍵的突破性實(shí)驗(yàn)依賴于兩種技術(shù)的精密結(jié)合：

1. 隧穿譜：該技術(shù)通常通過掃描隧道顯微鏡（STM）進(jìn)行，或如在關(guān)鍵的莫爾實(shí)驗(yàn)中，采用雙柵極平面結(jié)結(jié)構(gòu)，直接測(cè)量材料的電子態(tài)密度（DOS）。隧道結(jié)的微分電導(dǎo) (dI/dV) 與 DOS 成正比。在超導(dǎo)體中，費(fèi)米能級(jí)附近的 DOS 會(huì)形成能隙，從而揭示Δ的結(jié)構(gòu)。
2. 電輸運(yùn)測(cè)量：這用于測(cè)量材料的電阻。真正超導(dǎo)電性的明確標(biāo)志是低于臨界溫度 (Tc) 時(shí)的零電阻。

通過在同一魔角扭曲三層石墨烯器件上進(jìn)行同步的隧穿譜和輸運(yùn)測(cè)量，研究人員能夠無可辯駁地將觀察到的能隙光譜特征與真實(shí)的零電阻超導(dǎo)態(tài)聯(lián)系起來。這消除了以往實(shí)驗(yàn)中的歧義，即光譜能隙（也可能是贗能隙）無法被明確關(guān)聯(lián)至真實(shí)的超導(dǎo)電性。

節(jié)點(diǎn)能隙的標(biāo)志

最主要的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)是超導(dǎo) DOS 譜的特征形狀：

• V 形電導(dǎo)：與傳統(tǒng)s波全能隙預(yù)期的平底“U”形不同，魔角扭曲三層石墨烯中的隧穿電導(dǎo) (dI/dV) 在零偏壓附近呈現(xiàn)出明顯的 “V” 形。這種 V 形是節(jié)點(diǎn)能隙在光譜上的標(biāo)志。在節(jié)點(diǎn)超導(dǎo)體中，準(zhǔn)粒子激發(fā)可以存在于任意低的能量（在節(jié)點(diǎn)處），導(dǎo)致 DOS 在費(fèi)米能級(jí)附近與能量呈線性關(guān)系，即DOS(E)∝ |E|。
• Volovik 效應(yīng)與線性溫度依賴性：進(jìn)一步的證據(jù)來自于研究材料屬性在外部條件下的變化。超導(dǎo) DOS 隨著溫度和磁場(chǎng)的增加表現(xiàn)出線性填充行為，這種現(xiàn)象被稱為 Volovik 效應(yīng)。具體來說，節(jié)點(diǎn)超導(dǎo)體的超流密度（與動(dòng)能電感相關(guān)）在低溫下趨近于T=0時(shí)應(yīng)與溫度成比例，ρs(T)∝1-aT。觀察到這種線性依賴關(guān)系，而非全能隙預(yù)期的指數(shù)衰減，有力地證實(shí)了節(jié)點(diǎn)序參量的結(jié)論。

這些綜合觀測(cè)——V 形隧穿譜、能隙填充的線性溫度依賴性以及 Volovik 效應(yīng)——為魔角莫爾石墨烯中的超導(dǎo)電性由非s波的節(jié)點(diǎn)對(duì)稱性支配提供了令人信服且一致的證據(jù)。

對(duì)非傳統(tǒng)配對(duì)機(jī)制的深遠(yuǎn)影響

節(jié)點(diǎn)超導(dǎo)能隙在莫爾石墨烯中的確立具有深遠(yuǎn)的意義：

• 強(qiáng)電子關(guān)聯(lián)機(jī)制：節(jié)點(diǎn)能隙對(duì)稱性無法用 Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) 理論中微弱的聲子介導(dǎo)耦合來解釋。它強(qiáng)烈表明莫爾石墨烯中的超導(dǎo)電性是由超平莫爾能帶結(jié)構(gòu)固有的強(qiáng)電子-電子相互作用驅(qū)動(dòng)的。這種機(jī)制與假設(shè)中的高溫銅氧化物和鐵基超導(dǎo)體中的奇異配對(duì)機(jī)制相似。
• 莫爾超晶格作為量子模擬器：莫爾體系的獨(dú)特可調(diào)控性（通過扭角、柵極電壓和應(yīng)變）使其成為一個(gè)高度可控的平臺(tái)，用于系統(tǒng)地研究競(jìng)爭(zhēng)和共存量子態(tài)之間復(fù)雜的相互作用。理解節(jié)點(diǎn)對(duì)稱性是揭示這種新型關(guān)聯(lián)超導(dǎo)體微觀起源的第一步。
• 邁向高溫超導(dǎo)： 通過提供一個(gè)干凈、二維和高度可調(diào)的模型系統(tǒng)，對(duì)莫爾石墨烯的研究為支持非傳統(tǒng)配對(duì)機(jī)制的一般條件提供了關(guān)鍵的見解。這些知識(shí)對(duì)于理性設(shè)計(jì)能夠在更高、甚至室溫下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)的材料這一長(zhǎng)期目標(biāo)來說，是無價(jià)的——這是凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的“圣杯”。

總而言之，魔角扭曲三層石墨烯中節(jié)點(diǎn)超導(dǎo)能隙的直接實(shí)驗(yàn)觀測(cè)標(biāo)志著一個(gè)里程碑式的時(shí)刻。它鞏固了莫爾石墨烯作為非傳統(tǒng)超導(dǎo)主要研究平臺(tái)的地位，并提供了一個(gè)關(guān)鍵的光譜標(biāo)志，將這種二維材料與最神秘且最有前景的高 Tc 超導(dǎo)體聯(lián)系起來。對(duì)這種節(jié)點(diǎn)配對(duì)的對(duì)稱性和機(jī)制的持續(xù)研究，無疑將指導(dǎo)下一代超導(dǎo)技術(shù)的探索。