11 月 9 日消息，麻省理工學(xué)院（MIT）的物理學(xué)家在“魔角”扭轉(zhuǎn)三層石墨烯（MATTG）中首次直接觀測到非常規(guī)超導(dǎo)性的關(guān)鍵證據(jù)。相關(guān)成果已于 11 月 6 日發(fā)表于《科學(xué)》，被視為推動(dòng)高溫超導(dǎo)研究的重要進(jìn)展。

超導(dǎo)體是一種能讓電流無能量損耗地流動(dòng)的材料，如同地鐵系統(tǒng)中的“特快列車”，能量不會(huì)在傳輸中消耗。傳統(tǒng)超導(dǎo)體需在極低溫下維持這種狀態(tài)，因此應(yīng)用范圍有限。而如果能在接近室溫下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，將有望帶來零損耗輸電網(wǎng)、高效電纜以及實(shí)用量子計(jì)算等革命性技術(shù)。MIT 團(tuán)隊(duì)正在研究的“非常規(guī)超導(dǎo)體”正是區(qū)別于傳統(tǒng)機(jī)制、具有潛在突破性的材料類別。

研究團(tuán)隊(duì)稱，他們?cè)谟扇龑邮┮蕴囟ń嵌券B加形成的 MATTG 中，測量到了其超導(dǎo)能隙（superconducting gap）—— 這是一種衡量超導(dǎo)狀態(tài)穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo)。結(jié)果顯示，MATTG 的能隙形態(tài)與常規(guī)超導(dǎo)體明顯不同，意味著其超導(dǎo)機(jī)制并非依賴傳統(tǒng)的晶格振動(dòng)耦合，而是可能源自強(qiáng)電子相互作用。

“材料能成為超導(dǎo)體的機(jī)制有很多種，”研究共同作者、MIT 物理系研究生孫書文（Shuwen Sun）解釋稱，“超導(dǎo)能隙為我們提供了線索，幫助理解哪類機(jī)制可能引導(dǎo)我們最終實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)，從而造福社會(huì)?！?/p>

研究團(tuán)隊(duì)使用了一種新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可在二維材料中實(shí)時(shí)觀測超導(dǎo)能隙的形成。他們將該平臺(tái)應(yīng)用于 MATTG，并結(jié)合電子隧穿（tunneling）與電輸運(yùn)（transport）技術(shù)，在同一裝置中同時(shí)測量電流與能隙。結(jié)果顯示，當(dāng)材料出現(xiàn)零電阻 —— 即進(jìn)入超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)，才檢測到明確的隧穿能隙信號(hào)，確認(rèn)其為真正的超導(dǎo)特征。

隨著溫度與磁場變化，能隙呈現(xiàn)出明顯的 V 形分布，這一特征與傳統(tǒng)超導(dǎo)體平滑對(duì)稱的能隙截然不同，成為非常規(guī)超導(dǎo)機(jī)制的重要佐證。MIT 物理系教授、研究負(fù)責(zé)人帕布羅?哈里略-埃雷羅（Pablo Jarillo-Herrero）指出：“深入理解一種非常規(guī)超導(dǎo)體，可能為理解整個(gè)體系打開大門，這或?qū)⒅笇?dǎo)我們?cè)O(shè)計(jì)出可在室溫下工作的超導(dǎo)體 —— 這是該領(lǐng)域長期以來的‘圣杯’目標(biāo)?！?/p>

哈里略-埃雷羅團(tuán)隊(duì)早在 2018 年便首次在實(shí)驗(yàn)中制備出“魔角石墨烯”，并發(fā)現(xiàn)其獨(dú)特電子性質(zhì)，由此催生了“扭轉(zhuǎn)電子學(xué)”（Twistronics）這一新興研究方向。本次成果進(jìn)一步驗(yàn)證了 MATTG 在超導(dǎo)機(jī)理上的特殊性，也為后續(xù)探索更多二維材料的量子特性奠定了基礎(chǔ)。

該研究的其他作者包括 MIT 博士樸貞敏（Jeong Min Park）、日本國立材料科學(xué)研究所的渡邊賢司（Kenji Watanabe）與谷口尚（Takashi Taniguchi）。