麻省理工学院未来研发更高温超导体打开了新路径

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麻省理工学院的物理学家近日在“魔角”三层扭转石墨烯（magic-angle twisted trilayer graphene，MATTG）中观测到清晰且决定性的非常规超导性证据。这一发现为未来研发更高温超导体打开了新路径，并可能推动零能量损耗电网、量子计算等革命性技术的发展。

超导体能够让电流毫无阻力地穿过材料，因而极其节能。但传统超导体必须在极低温下才能保持超导状态，严重限制了应用范围。因此，科学界持续探索能够在更高温度下工作的“非常规超导体”。MATTG正是近年来最受关注的候选材料之一，由三层石墨烯以特定“魔角”堆叠而成，其内部电子结构因扭角而呈现奇特的量子行为。

此前，MATTG被观测到多种间接的非常规超导迹象，而MIT团队本次在《Science》期刊上发表的成果，被认为是迄今最直接、最明确的证据。

研究团队成功精确测量了MATTG的超导能隙（superconducting gap）——这是判断一种超导机制是否“非常规”的关键物理量。他们发现，MATTG的能隙呈现明显的V形结构，这与传统超导体平坦均匀的能隙曲线截然不同，说明其超导机理必须由全新的电子作用驱动。

“超导能隙为我们提供了材料何以成为超导体的重要线索。”论文共同第一作者、MIT物理系研究生孙书雯（Shuwen Sun）指出，“理解这些机制将有助于未来设计出甚至可能在室温工作的超导体。”

新型实验平台：在二维材料中“实时观看”超导形成

为了获得这一关键证据，研究团队开发了一种全新的实验平台，将量子隧穿谱技术与电输运测量结合在同一个装置中。隧穿谱可观察电子如何穿过材料，而电输运则可监测材料是否进入零电阻的超导状态。

通过这套系统，研究团队在同一块MATTG样品中同时确认了零电阻（超导特征）与V形隧穿能隙（非常规特征），实现了领域内长期难以做到的“直接关联证明”。

随后，团队研究了能隙在不同温度与磁场下的演化，确认其行为与传统由晶格振动驱动的超导机理不一致。

论文共同作者朴正敏（Jeong Min Park）解释道：“在传统超导体中，电子配对依靠晶格振动。但在魔角石墨烯中，更可能是强电子相互作用本身促成配对，从而形成具有特殊对称性的非常规超导态。”

“扭曲材料体系”（Twistronics）再迎突破

自2018年Pablo Jarillo-Herrero教授团队首次制备魔角双层石墨烯以来，“扭学”（twistronics）迅速成为量子材料领域最热门的方向之一。通过对二维材料进行原子级扭转，可产生莫尔（moiré）干涉图案，使电子出现强关联效应，从而诱发超导、绝缘相和奇特的量子态。

本次对MATTG超导能隙的首次直接测量，是这一研究方向的里程碑成果。团队计划将新平台应用于更多二维扭转材料，以寻找更高温、更稳定的超导体候选者。

“深入理解一种非常规超导体，可能会带来对整个超导体系的突破性认识。”Jarillo-Herrero表示，“这将为我们设计未来的室温超导材料提供方向——那是整个领域的‘圣杯’。”

该研究由美国陆军研究办公室、空军科研办公室、国家科学基金会、戈登和贝蒂·摩尔基金会等机构支持。