MIT量子新突破：向室温超导迈进

然而，这些“传统”超导体只能在极低温下工作，必须置于专门的冷却系统中才能维持超导状态。如果材料能在更温暖、更实用的温度下实现超导，将彻底改变现代科技——从打造零能耗电网到研发更强大的量子计算机。为此，麻省理工学院（MIT）等机构的研究人员正在探索“非常规”超导体，这类材料打破传统规则，有望带来下一个重大突破。

MIT的魔角石墨烯新发现
近期，MIT物理学家取得重大进展，在“魔角”扭曲三层石墨烯（MATTG）中观察到明确的非常规超导证据。这种特殊材料是将三层原子级厚度的石墨烯以特定角度堆叠而成，微小的扭曲显著改变了材料特性，催生了奇特且极具潜力的量子效应。

尽管早期研究已暗示MATTG可能存在非常规超导性，但发表在《科学》（Science）杂志上的新成果提供了迄今为止最直接的证实。

超导能隙的新视角
MIT团队成功测量了MATTG的超导能隙（该能隙反映材料在不同温度下超导状态的强度）。他们发现，MATTG的能隙与传统超导体截然不同，这表明其超导机制具有独特性和非常规性。

“材料超导的机制多种多样，”共同第一作者、MIT物理系研究生孙书文解释道，“而超导能隙为我们提供了线索，帮助理解何种机制可能催生室温超导体，最终造福人类社会。”

研究团队通过一套新的实验系统实现了这一发现，该系统能直接观察二维材料中超导能隙的形成过程。他们计划利用这项技术更深入研究MATTG及其他二维材料，以期发现先进技术的新候选材料。

“深入理解一种非常规超导体，可能会启发我们对其他超导体的认知。”MIT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-埃雷罗表示，“这种理解有望指导室温超导体的设计——室温超导堪称整个领域的‘圣杯’。”

扭曲电子学的起源
石墨烯由单层碳原子组成，呈类似铁丝网的六边形排列。科学家可从石墨（铅笔芯的主要成分）中剥离出石墨烯薄片进行研究。21世纪10年代，研究人员预测，将两层石墨烯以精确角度堆叠可产生新的电子行为。

2018年，贾里洛-埃雷罗团队首次通过实验制备出这种“魔角”石墨烯，并揭示了其非凡特性。这项工作催生了名为“扭曲电子学”（twistronics）的新研究领域，该领域专注于研究超薄材料在精确堆叠和扭曲下产生的惊人效应。此后，该团队及其他研究者探索了多种多层石墨烯结构，发现了更多非常规超导迹象。

电子如何协作
超导现象的本质是电子在材料中运动时不再相互散射，而是形成“库珀对”（Cooper pairs）。这些成对电子能无电阻移动，实现电流的完美传导。

“传统超导体中，库珀对电子相距较远且结合较弱，”共同第一作者、2024年MIT物理学博士郑敏朴解释道，“但在魔角石墨烯中，我们已观察到电子对结合紧密的迹象，几乎像一个分子。这暗示该材料存在某种独特之处。”

通过隧穿技术探索量子世界
为证明MATTG确实具有非常规超导性，MIT研究人员需直接测量其超导能隙。正如朴博士所言：“当材料进入超导状态时，电子成对运动而非单独移动，此时会出现反映电子结合强度的能量‘能隙’。能隙的形状和对称性揭示了超导性的本质。”

为此，科学家采用了量子尺度的隧穿光谱技术。在量子尺度下，电子兼具粒子性和波动性，能“隧穿”过原本无法通过的壁垒。通过研究电子隧穿材料的难易程度，可了解其内部结合强度。但仅凭隧穿结果不足以证明超导性，因此直接测量至关重要且极具挑战。

超导能隙的近距离观察
朴博士团队开发了一种新平台，将隧穿光谱与电输运测量相结合（电输运测量通过追踪电流在材料中的流动并监测电阻——零电阻是超导的核心标志）。将该方法应用于MATTG后，研究人员清晰定位了超导隧穿能隙：它仅在材料达到零电阻（超导的决定性特征）时出现。当改变温度和磁场时，能隙呈现尖锐的V形曲线，与传统超导体典型的平滑平坦曲线截然不同。

这种独特的V形曲线表明MATTG的超导性背后存在新机制。尽管具体过程仍不明确，但可以确定的是，该材料的行为与此前发现的所有传统超导体均不同。

另一种电子配对方式
在大多数超导体中，电子配对源于周围原子晶格的振动，这种振动“轻柔地”将电子推到一起。但朴博士认为MATTG的机制不同。

“在这种魔角石墨烯系统中，有理论认为电子配对可能源于强电子相互作用而非晶格振动，”她说，“这意味着电子通过自身相互作用形成配对，进而产生具有特殊对称性的超导状态。”

未来之路：下一代量子材料
MIT团队计划将新实验装置应用于其他扭曲和层状材料的研究。

“这使我们能在同一样品中，实时识别并研究超导及其他量子相的潜在电子结构，”朴博士解释道，“这种直接观测有助于揭示电子如何配对及与其他状态竞争，为设计和控制新型超导体与量子材料奠定基础——未来它们有望驱动更高效的技术或量子计算机。”

本研究得到美国陆军研究办公室、美国空军科学研究办公室、MIT/MTL三星半导体研究基金、萨戈尔WIS-MIT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。