這一"獨一無二"的現象在普通石墨中被觀察到。

磁鐵和超導體就像油和水一樣互不相容 —— 或者說科學家們一直這樣認為。但麻省理工學院物理學家的一項新發現正在挑戰這個延續百年的固有認知。

在今日發表于《自然》期刊的一篇論文中，這些物理學家報告稱他們發現了一種"手性超導體" —— 這種材料不僅能夠無電阻導電，而且矛盾的是，其本身具有磁性。更令人驚訝的是，他們在一種極為普通的材料中觀測到了這種奇異超導現象：鉛筆芯的主要成分石墨。

石墨由多層石墨烯（碳原子以原子級厚度排列成晶格狀薄片）堆疊而成，在壓力作用下（如書寫時）容易分層剝落。一片石墨薄片可能包含數百萬層石墨烯，通常以交錯對齊的方式堆疊。但偶爾，石墨中會出現微小的區域，其中石墨烯以不同模式堆疊，形成階梯狀錯位結構。

麻省理工學院團隊發現，當四到五層石墨烯以這種"菱面體"構型堆疊時，所形成的結構會展現出整塊石墨所不具備的特殊電子特性。

在新研究中，物理學家們從石墨中分離出微觀尺度的菱面體石墨烯薄片，并對其進行了一系列電學測試。他們發現，當薄片冷卻至300毫開爾文（約零下273攝氏度）時，材料會轉變為超導體，即任何流經該材料的電流都能無損耗傳輸。

他們還觀察到，當上下掃描外部磁場時，薄片可以在兩種不同的超導狀態之間切換，就像磁鐵一樣。這表明這種超導體具有某種內在的固有磁性。這種切換行為在其他超導體中并不存在。

"傳統觀點認為超導體排斥磁場，"麻省理工學院物理系助理教授居龍表示，"但我們相信這是首次觀測到具有明顯磁性特征的超導體，且證據直接簡潔。這非常反常，因為它顛覆了人們對超導性與磁性的普遍認知。"

居龍是該研究的通訊作者，合作者包括來自麻省理工學院的韓同航、盧正光、Zach Hadjri、石立涵、吳正漢、徐偉、姚宇軒、楊吉祥、Junseok Seo、葉申勇、周沐陽和傅亮，以及佛羅里達州立大學、瑞士巴塞爾大學和日本國立材料科學研究所的研究人員。

石墨烯的扭轉

在日常導電材料中，電子以混亂的散射方式運動，彼此擦身而過，并與材料的原子晶格發生碰撞。每次電子與原子發生散射，本質上都會遇到電阻并因此損失能量（通常以熱量形式）。相比之下，當某些材料被冷卻至極低溫時，它們可以成為超導體，這意味著材料中的電子會形成配對（物理學家稱之為"庫珀對"）。這些電子對不會散射逃逸，而是無阻礙地滑過材料。因此，超導體在傳輸過程中不會損失能量。

自191年首次發現超導現象以來，物理學家多次證實零電阻是超導體的標志性特征。另一項決定性特征于1933年被物理學家瓦爾特·邁斯納首次觀測到，他發現超導體會排斥外部磁場。這種"邁斯納效應"部分源于超導體中的電子對，它們會共同作用排斥任何磁場。

物理學家一直認為所有超導材料都應同時具備零電阻和天然磁斥性。正是這兩種特性使磁懸浮列車成為可能 —— 超導軌道通過排斥磁化車廂實現懸浮。

居龍及其同事在麻省理工學院進行實驗時，原本沒有理由質疑這一假設。過去幾年中，該團隊一直在探索五層菱面體石墨烯的電學特性。研究人員在這種五層階梯狀石墨烯結構中觀測到了令人驚奇的特性，最新發現是其能使電子分裂為分數電荷。這種現象發生在五層結構被放置在六方氮化硼（一種類似石墨烯的材料）薄片上，并以特定角度輕微偏移（即扭轉）時。

出于對電子分數態隨條件變化的好奇，研究人員在初始發現后進行了類似測試，這次通過錯位排列石墨烯和六方氮化硼結構。令他們驚訝的是，當兩種材料錯位排列并在低于300毫開爾文的溫度下通電時，他們測得了零電阻。似乎電子分數現象消失了，取而代之的是超導性。

研究人員進一步探索了這種新型超導態對外部磁場的響應。他們向材料施加磁體和電壓，并測量輸出電流。當將磁場從負向調節至正向（類似南北極）再返回時，他們發現材料在兩種磁極狀態下電阻會短暫激增，隨后切換回零電阻的超導態。

"如果是傳統超導體，它會一直保持零電阻，直到磁場達到臨界點才會破壞超導性，"研究組一年級學生Zach Hadjri表示，"但我們的材料似乎在兩種超導態之間切換，就像磁鐵初始指向上方，在施加磁場后可以翻轉向下。這看起來就像是具有磁性的超導體，完全不合常理！"

"獨一無二"

盡管這一發現看似違反直覺，但研究團隊在六個類似樣品中觀測到了相同現象。他們認為菱面體石墨烯的獨特構型是關鍵所在。該材料的碳原子排列極為簡單。當冷卻至極低溫時，熱漲落被最小化，使得流經材料的電子減速、相互感應并產生相互作用。

這種量子相互作用促使電子配對形成超導態。這些相互作用還能協調電子的運動狀態。具體而言，電子可以集體占據兩種相反動量態（即"能谷"）中的一種。當所有電子占據同一能谷時，它們實際上朝同一方向自旋，反之亦然。在傳統超導體中，電子可以占據任一能谷，電子對通常由相反能谷的電子組成，從而相互抵消。因此，電子對整體動量為零，不發生自旋。

但在研究團隊的材料結構中，他們推測所有電子通過相互作用共享同一能谷（即動量態）。當電子配對時，超導電子對整體具有"非零"動量和自旋，眾多這樣的電子對共同作用就會形成內在的超導磁性。

"可以想象電子對中的兩個電子順時針或逆時針自旋，對應磁鐵指向上或下，"研究組五年級學生韓同航解釋道，"因此我們認為這是首次觀測到由電子軌道運動產生磁性的超導體，即手性超導體。它是獨一無二的，也是拓撲超導體的候選材料，可能為實現穩健量子計算提供可能。"

"我們在這種材料中發現的所有現象都完全出乎意料，"前博士后、現佛羅里達州立大學助理教授盧正光表示，"但由于這是一個簡單體系，我們相信有很大機會理解其機理，并揭示某些非常深刻的基礎物理原理。"

"如此簡單成分竟能孕育出如此奇特的手性超導體，實在令人驚嘆，"麻省理工學院物理系教授傅亮補充道，"菱面體石墨烯中的超導現象必將帶來更多驚喜。"

該研究在麻省理工學院開展的部分獲得了美國能源部和MathWorks獎學金的資助。

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