插图描绘了菱面体石墨烯（中间晶格结构）中以顺时针或逆时针方向（分别对应蓝色和红色）自旋的超导电子对。这些电子对展现出磁性和超导性，而这些特性此前被认为不可能共存于一种材料中。这种电子态代表了一种新型的磁性超导体。

磁铁和超导体的结合就像油和水--科学家们一直这么认为。但是，麻省理工学院物理学家的一项新发现正在挑战这一具有百年历史的假设。

在发表于《自然》杂志的一篇论文中，物理学家们报告称，他们发现了一种 “手性超导体”--一种能够无阻抗导电的材料，而且矛盾的是，这种材料本身还具有磁性。更重要的是，他们在一种令人惊讶的普通材料中观察到了这种奇异的超导性：石墨——铅笔芯的主要材料。

石墨是由许多层石墨烯--在原子结构上很薄的格子状碳原子片--堆叠在一起制成的，当施加压力时很容易剥落，就像在纸上按压书写时一样。一块石墨薄片可以包含几百万片石墨烯，这些石墨烯通常堆叠在一起，每一层都对齐。但是，石墨中经?；嵊幸恍┪⑿〉那?，石墨烯以不同的模式堆叠在一起，就像一层层偏移的阶梯。

麻省理工学院的研究小组发现，当四片或五片石墨烯以这种 “菱面体 ”构型堆叠在一起时，所产生的结构可以表现出石墨整体所不具备的特殊电子特性。

在他们的新研究中，物理学家从石墨中分离出了微小的菱面体石墨烯薄片，并对这些薄片进行了一系列电学测试。他们发现，当片状石墨烯冷却到 300 毫开尔文（约零下 273 摄氏度）时，这种材料就会变成超导体，这意味着任何电流通过这种材料时都不会产生阻力。

他们还发现，当他们上下扫动外部磁场时，薄片可以在两种不同的超导状态之间切换，就像磁铁一样。这表明超导体具有某种内在的磁性。这种切换行为在其他超导体中是不存在的。

图1 菱方四层石墨烯器件T3和五层石墨烯器件P1平带中的超导性

麻省理工学院物理学助理教授朱龙（Long Ju）说：“普遍的认知是，超导体不喜欢磁场。但我们相信，这是首次以如此直接和简单的证据观察到超导体表现出磁体行为。这是一件相当奇怪的事情，因为它违背了人们对超导和磁性的普遍印象。”

朱龙是这项研究的资深作者，该研究的其他合著者包括麻省理工学院的韩同航（Tonghang Han）、卢正光（Zhengguang Lu）、扎克-哈吉里（Zach Hadjri）、史立寒（Lihan Shi）、吴正汉（Zhenghan Wu）、徐伟（Wei Xu）、姚雨萱（Yuxuan Yao）、杨吉祥（Jixiang Yang）、徐俊锡（Junseok Seo）、叶申勇（Shenyong Ye）、周沐阳（Muyang Zhou）和傅亮（Liang Fu），以及佛罗里达州立大学、瑞士巴塞尔大学和日本国立材料科学研究所的合作者。

石墨烯扭曲

在日常的导电材料中，电子会杂乱无章地流动，彼此擦身而过，并从材料的原子晶格中弹射出来。每当电子从一个原子上散射出去时，它实质上遇到了一些阻力，并因此损失了一些能量，通常是以热量的形式损失的。与此相反，当某些材料冷却到超低温时，它们会变得超导，这意味着材料可以让电子配对，物理学家称之为 “库珀对”。

这些电子对不会散射，而是毫无阻力地在材料中滑行。因此，超导体不会在转换过程中损失能量。

自 1911 年首次观察到超导现象以来，物理学家多次证明零电阻是超导体的标志。1933 年，物理学家瓦尔特-迈斯纳（Walther Meissner）发现超导体会驱逐外部磁场，从而首次观察到超导体的另一个决定性特性。这种 “迈斯纳效应 ”的部分原因是超导体中的电子对，它们共同作用，推走了任何磁场。

图2 四层器件T3中相邻态的时间反演对称性破缺(TRSB)和谷极化

物理学家假定，所有超导材料都应该表现出零电阻和自然磁排斥。事实上，正是这两种特性使得磁悬浮列车成为可能，通过超导轨道排斥磁化的车厢，从而使其悬浮起来。

朱龙和他的同事在麻省理工学院进行实验时，没有理由质疑这一假设。在过去几年中，研究小组一直在探索五层斜方体石墨烯的电学特性。研究人员在五层阶梯状石墨烯结构中观察到了令人惊奇的特性；最近的一个特性是，它能使电子分裂成自身的一部分。当五层结构被置于六角氮化硼（一种与石墨烯类似的材料）薄片之上，并稍微偏移一个特定的角度或扭曲时，就会出现这种现象。

研究人员对电子分数如何随着条件的变化而变化感到好奇，于是对最初的发现进行了类似的测试，这次他们将石墨烯和六方氮化硼结构错位。他们惊讶地发现，当他们将这两种材料错位并发出电流时，在温度低于 300 毫开尔文时，他们测得的电阻为零。电子分数现象似乎消失了，取而代之的是超导现象。

图3 五层器件P1中超导态的自旋和谷极化

研究人员进一步研究了这种新的超导状态对外部磁场的反应。他们在材料上施加了一块磁铁和一个电压，并测量了从材料中流出的电流。当他们把磁场从负极拨到正极（类似于南北极性）再拨回来时，他们观察到材料保持了超导零电阻状态，只有两种情况例外，一种是在任一磁极下。

在这些情况下，电阻会短暂飙升，然后再切换回零，恢复到超导状态。

“如果这是一种传统的超导体，它就会一直保持零电阻状态，直到磁场达到临界点，超导电性就会被扼杀，”研究小组的一年级学生扎克-哈吉里（Zach Hadjri）说?！跋喾矗庵植牧纤坪蹩梢栽诹街殖甲刺淝谢?，就像磁铁开始时指向上方，当你施加磁场时可以向下翻转。因此，看起来这是一种也像磁铁一样的超导体，这没有任何意义?！?/span>

独一无二

这一发现看似与直觉相反，但研究小组在六个类似样本中观察到了相同的现象。他们怀疑，斜方体石墨烯的独特构造是关键所在。这种材料的碳原子排列非常简单。当冷却到超低温时，热波动会降到最低，从而使流经该材料的任何电子减速、相互感应并相互作用。

图4 四层器件T3中的温度依赖反常霍尔效应和相边界

这种量子相互作用可导致电子配对和超导。这些相互作用还能促使电子协调。也就是说，电子可以集体占据两种相反的动量状态之一，或称 “谷”。当所有电子都处于一个谷中时，它们实际上是朝着一个方向旋转，而不是相反的方向。在传统超导体中，电子可以占据任一谷态，任何一对电子通常都是由相反谷态的电子组成，相互抵消。因此，这对电子的总动量为零，不会自旋。

然而，在研究小组的材料结构中，他们怀疑所有电子都会相互作用，从而共享相同的谷或动量状态。当电子配对时，超导电子对整体具有 “非零 ”动量，并且会旋转，这与许多其他电子对一样，可以产生内部超导磁性。

图5 BCS-BEC交叉点附近的超导性

“你可以认为一对电子中的两个电子顺时针或逆时针旋转，这相当于磁铁朝上或朝下，”该研究小组的五年级学生韩同航（Tonghang Han）解释说，”因此，我们认为这是首次观测到由于电子轨道运动而表现为磁铁的超导体，这种超导体被称为手性超导体?！耙虼耍颐侨衔馐鞘状喂鄄獾揭虻缱庸斓涝硕硐治盘宓某继?，即所谓的手性超导体。它是独一无二的。它也是拓扑超导体的候选者，可以实现强大的量子计算。”

“我们在这种材料中发现的一切都完全出乎意料，"该研究小组的前博士后、现佛罗里达州立大学助理教授卢正光（Zhengguang Lu）说?！暗捎谡馐且桓黾虻サ南低?，我们认为我们有很大的机会了解发生了什么，并能证明一些非常深刻和深奥的物理学原理。”

麻省理工学院物理学教授傅亮（Liang Fu）补充说：“从如此简单的成分中产生出如此奇特的手性超导体，确实非常了不起。菱形石墨烯中的超导电性必将大有可为?！?/span>

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