麻省理工学院的研究人员在魔角扭曲三层石墨烯中发现了非常规超导性的确凿证据。
他们新研发的测量系统揭示了一个尖锐的V形超导能隙——这是与传统超导体截然不同的新型配对机制的明证。这一突破性发现为超薄材料中的量子行为研究提供了新视角，并有望加速实现室温超导体的探索进程。
超导体：自然界中的完美导体
超导体宛如电力领域的高速列车。当电流流入其中时，电流能够毫无阻碍地畅行无阻，且不会损耗能量。正因如此，超导体效率极高，目前已被应用于磁共振成像扫描仪和粒子加速器等技术领域。
然而，如今所使用的超导体存在一个重大缺陷：它们仅在极低温环境下才能发挥作用。要维持其超导状态，就必须借助复杂且昂贵的冷却系统。倘若科学家能够研制出在更温暖、接近室温条件下就能实现超导的材料，那么这一成果或将引发技术革命——带来零损耗的能源网络和输电线路，并让量子计算机的实用性大幅提升。目前，麻省理工学院及全球各地的研究人员正聚焦于“非传统”超导体，这类材料的表现与传统超导体截然不同，或许正是实现这一重大突破的关键所在。
魔角石墨烯成为焦点
麻省理工学院的物理学家如今公布了关于“魔角”扭曲三层石墨烯（MATTG，一种通过将三层超薄石墨烯以精确角度堆叠而成的材料）中存在非常规超导性的有力新证据。这种微妙的扭曲造就了普通材料中无法见到的奇妙电子特性。
尽管早期实验已隐约透露出魔角扭曲三层石墨烯（MATTG）存在非常规超导性，但此次发表于《科学》杂志的新成果，为该材料确实具备非常规超导特性提供了迄今最有力的证据。
测量超导能隙
研究团队成功测定了MATTG的超导能隙，这一特性可表明其在特定温度下超导态的稳定性。他们观察到的现象与典型超导体中呈现的模式截然不同，揭示出MATTG实现超导的方式遵循一种全然不同且非传统的机制。
麻省理工学院物理系研究生、该研究的共同主要作者孙舒文表示：“有多种不同的机制可致使材料产生超导性。超导能隙为我们揭示了何种机制能催生出如室温超导体这类最终将造福人类社会的物质提供了线索。”
为得出这些观察结果，研究人员开发了一种新型实验装置，使他们能够直接监测超导间隙在二维材料中形成的过程。他们如今计划采用这种方法对魔角扭曲三层石墨烯（MATTG）展开更深入的研究，并探索其他二维材料，期望能发现新的候选材料，有朝一日能推动能源和计算技术变革。
圣杯：室温超导体
麻省理工学院塞西尔与艾达·格林物理学教授、该研究资深作者巴勃罗·贾里洛-埃雷罗（Pablo Jarillo-Herrero）表示：“透彻理解一种非传统超导体，或许能为我们揭示其他超导体的奥秘。”“例如，这种理解或许能指导我们设计出可在室温下工作的超导体，而这堪称整个领域的‘圣杯’。”
该研究的另一位共同主要作者为博士生朴正敏（Jeong Min Park，2024届）；日本物质材料研究机构的渡边健二（Kenji Watanabe）和谷口孝志（Takashi Taniguchi）亦为共同作者。
纽带相连：石墨烯的奇幻扭转之旅
石墨烯是一种由单层碳原子构成的材料，这些碳原子以六边形图案相连，形似鸡笼网。通过从石墨块（即铅笔芯的材质）中精心剥离出原子级厚度的薄片，便可得到一层石墨烯。21世纪10年代，理论学家预测，若将两层石墨烯以一个极为特殊的角度堆叠，所得结构应能展现出奇特的电子行为特性。
2018年，贾里略-埃雷罗（Jarillo-Herrero）及其同事首次在实验中成功制备出魔角石墨烯，并观测到了其部分非凡特性。这一发现催生了一个全新的研究领域——“转角电子学”，以及针对原子级薄层、精确转角材料的研究。此后，贾里略-埃雷罗团队又研究了双层、三层及多层魔角石墨烯的其他构型，以及其他二维材料堆叠与转角结构。他们与其他团队的研究成果共同揭示了，某些结构中存在非常规超导性的特征。
库珀对与电子之舞
超导性是物质在特定条件（通常为极低温环境）下所呈现出的一种状态。当物质成为超导体时，流经其中的电子会两两配对，而非相互排斥、四散开来。当电子以“库珀对”的形式结合时，它们便能在物质中无阻力地滑行，而非相互碰撞，以散失能量的形式飞散。尽管电子结合的方式可能有所不同，但正是这种电子配对现象成就了超导性。
帕克表示：“在传统超导体中，这些电子对相隔甚远，结合力很弱。但在魔角石墨烯中，我们已经能够观察到这些电子对紧密结合的迹象，几乎如同分子一般。种种迹象表明，这种材料具有与众不同之处。”
穿越量子壁垒的隧道效应
在最新研究中，贾里略-埃雷罗（Jarillo-Herrero）及其团队致力于直接观测并证实魔角石墨烯结构中存在非传统超导性。为此，他们必须测量该材料的超导能隙。
帕克解释道：“当某种材料成为超导体时，电子会成对移动，而非单独行动，且存在一个能量‘间隙’，这一间隙反映了它们是如何结合在一起的。”“该间隙的形状与对称性，揭示了超导性的本质特性。”
科学家如何测量超导能隙
科学家运用诸如隧道能谱学等专门技术，对材料中的超导能隙进行了测量。该技术利用了量子力学中一种名为“隧穿效应”的特性。在量子尺度下，电子不仅表现为粒子，还呈现出波的特性，正因如此，其波动特性使得电子能够穿越物质，即发生“隧穿”，仿佛能够穿墙而过。
此类隧穿光谱测量能够让我们了解电子隧穿进入材料的难易程度，从某种意义上说，还能了解材料中电子的紧密结合程度。在超导状态下进行此类测量时，能够反映出超导能隙的特性。然而，仅凭隧穿光谱测量，并不能始终判定材料是否确实处于超导状态。将隧穿信号与真正的超导能隙直接关联起来，既至关重要，又极具实验挑战性。
突破：见证差距初现
帕克及其研究团队构建了一套全新的实验装置，将电子隧穿与电输运这两项前沿技术巧妙联结。前者令科研人员得以窥探电子的量子行为奥秘，后者则可精准测量电流在材料中的通行难易程度。二者相辅相成，使得通过实时监测材料电阻特性（当电阻归零即表明材料进入超导态）来验证其超导性能成为可能。
研究人员借助这一综合平台，对魔角扭曲三层石墨烯（MATTG）中的超导能隙展开了研究。通过在同一装置中同时记录隧穿效应数据与输运数据，他们得以清晰识别出超导隧穿能隙——该能隙仅在材料呈现零电阻状态（即超导性的确凿标志）时显现。随后，他们探究了该能隙在不同温度与磁场条件下的变化规律。实验结果显示，能隙呈现出清晰的V形特征，这与传统超导体中常见的平坦、均匀能隙截然不同。
这一不同寻常的V形信号表明，魔角三层石墨烯（MATTG）中的电子通过一种与众不同、非传统的方式配对。这种配对的具体成因尚不明确，但这一发现有力地证明了MATTG具有非传统超导体的特性。
重新思考电子配对机制
在传统超导体中，电子通过周围原子晶格的振动形成电子对。这些振动促使电子相互靠近，使其能够无阻力地流动。朴教授（Park，音译）和她的团队认为，在魔角扭曲三层石墨烯（MATTG）中，可能正发生着全然不同的现象。
“在魔角石墨烯体系中，有理论解释称，这种配对现象很可能源于强电子相互作用，而非晶格振动，”她提出观点道，“这意味着电子本身会相互协助完成配对，进而形成具有特殊对称性的超导态。”
迈向量子材料的未来
接下来，研究人员计划采用其实验方法，对以类似方式堆叠或扭转的其他二维材料展开探索。
帕克表示：“这让我们能够在同一样本中，实时识别并研究超导性及其他量子相态背后的电子结构。这种直接观察方式能够揭示电子如何配对以及与其他状态竞争，为设计和控制新型超导体及量子材料铺平道路，未来这些材料有望为更高效的技术或量子计算机提供动力。”
参考文献：Jeong Min Park、Shuwen Sun、Kenji Watanabe、Takashi Taniguchi 及 Pablo Jarillo-Herrero 发表于 2025 年 11 月 6 日《科学》杂志上的文章《莫尔石墨烯中节点超导间隙的实验证据》。 DOI：10.1126/science.adv8376
本研究部分得到了美国陆军研究办公室、美国空军科学研究办公室、麻省理工学院/麻省理工学院三星半导体研究基金、萨戈尔魏茨曼科学研究所-麻省理工学院桥梁计划、美国国家科学基金会、戈登与贝蒂·摩尔基金会以及拉蒙·阿雷塞斯基金会的支持。
