MIT突破性發現！魔角三層石墨烯首現非常規超導直接證據

超導體常被稱為電流世界的「高速列車」，電子在其中能夠無阻力穿行、幾乎不損耗能量。正因如此，它們是核磁共振設備、粒子加速器等高能系統的核心。但常規超導體要在極低溫環境下才能工作，需要龐大的冷卻裝置，這也極大限制了它們的應用範圍。

如果有一天能在常溫下實現超導，意味著從零能耗電網、超高效能計算，到實用化的量子計算系統的廣泛落地，都將成為現實。為此，科學家們正積極探索所謂「非常規超導體」，那些以不同於傳統機制實現超導的材料。

近日，麻省理工學院（MIT）物理學家取得了一項突破，他們首次在魔角扭轉三層石墨烯（Magic-Angle Twisted Trilayer Graphene，簡稱 MA湯臣G）中，直接觀測到非常規超導性的關鍵實驗證據。這種材料由三層原子級薄的石墨烯堆疊而成，並以特定的「魔角」扭轉，從而激發出奇特的量子特性。這一成果發表在 Science 上。

「魔角」的奧秘

石墨烯是一種由碳原子組成的單層二維材料，原子間以六邊形方式排列，形似「蜂巢」或「鐵絲網」。通過精細剝離石墨塊中的薄片，人們可以獲得原子級厚度的石墨烯。

早在 2010 年代，理論物理學家就預測：如果將兩層石墨烯以一個特定角度堆疊，所得結構可能展現出奇異的電子行為。

2018 年，該研究的負責人帕布羅·哈利略-赫雷羅（Pablo Jarillo-Herrero）團隊首次在實驗中成功製備出「魔角雙層石墨烯」，併發現了其獨特的量子特性。這一發現開創了全新的研究方向，「扭轉電子學」（Twistronics），即通過精確控制二維材料的堆疊角度來調控其物理性質。此後，該團隊研究了多種魔角結構，包括雙層、三層及其他多層石墨烯組合，以及其他二維材料的扭轉結構。不同研究組的成果表明，其中部分結構可能具有非常規超導的特徵。

超導是一種特殊狀態：在某些條件（通常是低溫）下，材料內的電子會不再相互排斥，而是兩兩配對，以所謂的「古柏對」形式存在。這種電子對能夠無阻力地在材料中滑行，不再碰撞散射、造成能量損耗。這種「配對」機制是超導現象的核心，但電子如何結合在一起、形成配對的方式卻可能千差萬別。

「在常規超導體中，這些電子對之間距離較遠、結合較弱，」第一作者樸貞敏（Jeong Min Park）解釋道，「但在魔角石墨烯中，我們早已看到一些跡象表明這些電子對結合得非常緊密，幾乎像一個分子，這說明它的超導機制與眾不同。」

穿隧觀察

在這項新研究中，MIT 團隊的目標是直接確認魔角石墨烯結構中的非常規超導性。要做到這一點，關鍵就在於測量材料的超導能隙，這是判斷超導類型的核心指標。

MIT 團隊通過一種全新的實驗平台，首次直接測量了魔角三層石墨烯的超導能隙。該實驗平台結合電子隧穿與電輸運測量。

傳統的「隧穿譜」可以揭示電子在量子尺度下如何穿透材料勢壘，但並不能確定材料是否真正處於超導狀態。MIT 團隊的創新在於將其與電阻測量結合：只有當材料的電阻完全降為零（即進入超導狀態）時，他們才在信號中觀測到對應的能隙峰值。這一方法讓科學家首次能夠實時觀測二維材料中超導能隙的生成與演化過程，大幅提升了研究的精度與確定性。

實驗顯示，該材料的能隙形狀呈現明顯的「V」字形，與常規超導體平滑的能隙曲線截然不同。這一獨特特徵意味著，MA湯臣G 內部電子的配對機制並非傳統晶格振動所致，而是可能由電子之間的強相互作用驅動——這是非常規超導的重要標誌。

未來，團隊計劃利用這項實驗平台研究更多二維「扭轉結構」材料，以繪製出不同體系下超導能隙的全貌，為新型高溫甚至室溫超導體的設計提供線索。

「這項平台讓我們能夠在同一樣品上同時識別並追蹤超導態與其他量子態的競爭與轉化，為未來量子材料和量子計算機奠定基礎。」樸貞敏表示。

原文鏈接：

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

2.Jeong Min Park et al. ,Experimental evidence for nodal superconducting gap in moiré graphene.Science0,eadv8376DOI:10.1126/science.adv8376