石墨烯中發現多種超導態，有些還能在磁場中增強

鉛筆芯中常見的石墨，乍聽之下不過是一種簡單的碳材料。但這種材料正在微觀尺度上展現出令人意想不到的豐富面貌。

石墨烯是一種從石墨中剝離出的原子級薄層，更具體一點說，是由碳原子在微觀晶格中精確排列而成的單原子厚度薄片。一項新發表于《自然》雜志的研究表明，菱方堆垛石墨烯——一種天然存在于石墨內部、由四層或五層石墨烯堆疊而成的結構，可以承載多種超導態。

超導是一種物質的電子態，在超導態下，材料中的電子會成對結合，并以零電阻的方式在材料中運動。盡管目前已知有數千種材料可以成為超導體，但一種材料能夠承載多種形式的超導態，仍然十分罕見。

天然形成的臺階

石墨烯以及其他原子級薄的二維材料，可以表現出意想不到的電子、磁性、熱學和物理性質。當兩層或多層石墨烯以特定角度堆疊并發生扭轉時，形成的“魔角”結構會突然展現出奇異而非常規的現象。

一直以來，研究團隊都在探索石墨烯的特殊性質。不過，他們并不是通過人工堆疊和扭轉石墨烯層來制造結構的，而是在天然形成的石墨烯結構中尋找有趣的物理行為。近年來，他們在菱方堆垛石墨烯中發現了令人驚訝的電子性質。

菱方堆垛石墨烯是一種由多層石墨烯層層堆疊而成的特殊構型，每一層都相對于上一層略有錯位，就像樓梯的臺階一樣。這種結構可以在普通石墨中天然存在。但要找到它，則首先需要對石墨進行剝離，這一過程通常是用透明膠帶來完成的，然后在剝離出的樣品中尋找具有標志性的階梯狀模式。找到之后，便可以將其分離出來，用于進一步實驗。

利用這種方法，研究人員已經能夠分離并研究四層和五層菱方堆垛石墨烯樣品。目前，他們已經發現這種結構可以承載一種罕見的“手性”超導形式，還可以表現出分數電子電荷等其他現象。

當磁場沒有破壞超導

在新的研究中，研究團隊采用了一種略有不同的方法來研究菱方堆垛石墨烯。此前，他們會對菱方堆垛石墨烯樣品進行電學“摻雜”，即一邊逐步向樣品中加入電子，一邊另行通入一股電流。隨后，他們測量電壓，也就是推動電流穿過材料的“力”，并尋找電壓降為零的情況。

電壓降為零意味著電流正在無電阻地通過材料。通過這種方式，研究團隊曾在向菱方堆垛石墨烯中加入電子時觀察到了超導現象。于是他們想知道：如果反過來，從菱方堆垛石墨烯樣品中移走電子，會發生什么？

這一次，研究團隊一邊小心地從菱方堆垛石墨烯中移走電子，逐步降低樣品的電子密度；一邊外加一股外部電流來測定電阻，并由此尋找超導跡象。在逐步移走電子、降低菱方堆垛石墨烯樣品電子密度并測量電阻的過程中，研究人員還分別施加了平行于石墨烯平面的磁場，以及垂直于石墨烯平面的磁場。

在這組實驗中，研究人員發現，在某些電子密度下，菱方堆垛石墨烯樣品中會出現四種不同的超導態。更重要的是，其中三種超導態即使在相對較強的磁場中也能繼續存在——而通常情況下，磁場會破壞在材料中運動的成對電子之間的配對關系，從而破壞超導。

具體而言，當外加磁場平行于石墨烯平面時，研究人員觀察到有三種超導態能夠在高達約9特斯拉的面內磁場中繼續存在。這個磁場強度約為地球磁場的18萬倍。隨后，當他們把磁場方向改為垂直于材料平面時，又發現了另一個意外現象：在某一電子密度下，超導不僅沒有被磁場破壞，反而得到了增強。

這種“增強”可以從臨界溫度上看出來。每一種超導材料都有一個臨界溫度：低于這個溫度時，電子可以無電阻運動；高于這個溫度時，超導通常無法維持。而研究團隊發現，在某一電子密度下，垂直磁場會把菱方堆垛石墨烯的超導態“推”到更高溫度范圍——從55毫開爾文提高到了大約90毫開爾文，使它超過零磁場條件下原本對應的臨界溫度。與此同時，在超導被破壞之前，這種材料還能額外承受約50%到60%的電流。

可能的解釋

研究人員尚不確定，究竟是哪種微觀行為使這些多重且非常規的超導態成為可能，不過他們提出了一種設想。傳統超導出現在電子成對結合時，這些“庫珀對”由自旋相反的電子組成。通常認為，磁場會把這些自旋從相反排列的狀態中拉開，從而拆散電子對并破壞超導。

而研究團隊認為，也許在菱方堆垛石墨烯中，在某些電子密度下，電子能夠以自旋同向排列的方式成對結合。這樣一來，磁場仍然會作用于這些自旋，但會沿同一方向拉動它們，從而保持它們的同向排列，也維持了超導。

研究人員表示，這一想法還需要在實驗和理論兩方面進行更多研究。就目前而言，他們認為，這些結果展示了一個事實：只要采用合適的測量和調控手段，一種看似簡單的材料中也可以涌現出新的、奇異的物理現象。

#參考來源：

https://news.mit.edu/2026/graphene-can-hold-multiple-states-of-superconductivity-0629

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10815-x

#圖片來源：

封面圖&首圖：Amy Pan, RLE