石墨烯中发现多种超导态，有些还能在磁场中增强

铅笔芯中常见的石墨，乍听之下不过是一种简单的碳材料。但这种材料正在微观尺度上展现出令人意想不到的丰富面貌。

石墨烯是一种从石墨中剥离出的原子级薄层，更具体一点说，是由碳原子在微观晶格中精确排列而成的单原子厚度薄片。一项新发表于《自然》杂志的研究表明，菱方堆垛石墨烯——一种天然存在于石墨内部、由四层或五层石墨烯堆叠而成的结构，可以承载多种超导态。

超导是一种物质的电子态，在超导态下，材料中的电子会成对结合，并以零电阻的方式在材料中运动。尽管目前已知有数千种材料可以成为超导体，但一种材料能够承载多种形式的超导态，仍然十分罕见。

天然形成的台阶

石墨烯以及其他原子级薄的二维材料，可以表现出意想不到的电子、磁性、热学和物理性质。当两层或多层石墨烯以特定角度堆叠并发生扭转时，形成的“魔角”结构会突然展现出奇异而非常规的现象。

一直以来，研究团队都在探索石墨烯的特殊性质。不过，他们并不是通过人工堆叠和扭转石墨烯层来制造结构的，而是在天然形成的石墨烯结构中寻找有趣的物理行为。近年来，他们在菱方堆垛石墨烯中发现了令人惊讶的电子性质。

菱方堆垛石墨烯是一种由多层石墨烯层层堆叠而成的特殊构型，每一层都相对于上一层略有错位，就像楼梯的台阶一样。这种结构可以在普通石墨中天然存在。但要找到它，则首先需要对石墨进行剥离，这一过程通常是用透明胶带来完成的，然后在剥离出的样品中寻找具有标志性的阶梯状模式。找到之后，便可以将其分离出来，用于进一步实验。

利用这种方法，研究人员已经能够分离并研究四层和五层菱方堆垛石墨烯样品。目前，他们已经发现这种结构可以承载一种罕见的“手性”超导形式，还可以表现出分数电子电荷等其他现象。

当磁场没有破坏超导

在新的研究中，研究团队采用了一种略有不同的方法来研究菱方堆垛石墨烯。此前，他们会对菱方堆垛石墨烯样品进行电学“掺杂”，即一边逐步向样品中加入电子，一边另行通入一股电流。随后，他们测量电压，也就是推动电流穿过材料的“力”，并寻找电压降为零的情况。

电压降为零意味着电流正在无电阻地通过材料。通过这种方式，研究团队曾在向菱方堆垛石墨烯中加入电子时观察到了超导现象。于是他们想知道：如果反过来，从菱方堆垛石墨烯样品中移走电子，会发生什么？

这一次，研究团队一边小心地从菱方堆垛石墨烯中移走电子，逐步降低样品的电子密度；一边外加一股外部电流来测定电阻，并由此寻找超导迹象。在逐步移走电子、降低菱方堆垛石墨烯样品电子密度并测量电阻的过程中，研究人员还分别施加了平行于石墨烯平面的磁场，以及垂直于石墨烯平面的磁场。

在这组实验中，研究人员发现，在某些电子密度下，菱方堆垛石墨烯样品中会出现四种不同的超导态。更重要的是，其中三种超导态即使在相对较强的磁场中也能继续存在——而通常情况下，磁场会破坏在材料中运动的成对电子之间的配对关系，从而破坏超导。

具体而言，当外加磁场平行于石墨烯平面时，研究人员观察到有三种超导态能够在高达约9特斯拉的面内磁场中继续存在。这个磁场强度约为地球磁场的18万倍。随后，当他们把磁场方向改为垂直于材料平面时，又发现了另一个意外现象：在某一电子密度下，超导不仅没有被磁场破坏，反而得到了增强。

这种“增强”可以从临界温度上看出来。每一种超导材料都有一个临界温度：低于这个温度时，电子可以无电阻运动；高于这个温度时，超导通常无法维持。而研究团队发现，在某一电子密度下，垂直磁场会把菱方堆垛石墨烯的超导态“推”到更高温度范围——从55毫开尔文提高到了大约90毫开尔文，使它超过零磁场条件下原本对应的临界温度。与此同时，在超导被破坏之前，这种材料还能额外承受约50%到60%的电流。

可能的解释

研究人员尚不确定，究竟是哪种微观行为使这些多重且非常规的超导态成为可能，不过他们提出了一种设想。传统超导出现在电子成对结合时，这些“库珀对”由自旋相反的电子组成。通常认为，磁场会把这些自旋从相反排列的状态中拉开，从而拆散电子对并破坏超导。

而研究团队认为，也许在菱方堆垛石墨烯中，在某些电子密度下，电子能够以自旋同向排列的方式成对结合。这样一来，磁场仍然会作用于这些自旋，但会沿同一方向拉动它们，从而保持它们的同向排列，也维持了超导。

研究人员表示，这一想法还需要在实验和理论两方面进行更多研究。就目前而言，他们认为，这些结果展示了一个事实：只要采用合适的测量和调控手段，一种看似简单的材料中也可以涌现出新的、奇异的物理现象。

#参考来源：

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

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

#图片来源：

封面图&首图：Amy Pan, RLE