这一"独一无二"的现象在普通石墨中被观察到。

磁铁和超导体就像油和水一样互不相容 —— 或者说科学家们一直这样认为。但麻省理工学院物理学家的一项新发现正在挑战这个延续百年的固有认知。

在今日发表于《自然》期刊的一篇论文中，这些物理学家报告称他们发现了一种"手性超导体" —— 这种材料不仅能够无电阻导电，而且矛盾的是，其本身具有磁性。更令人惊讶的是，他们在一种极为普通的材料中观测到了这种奇异超导现象：铅笔芯的主要成分石墨。

石墨由多层石墨烯（碳原子以原子级厚度排列成晶格状薄片）堆叠而成，在压力作用下（如书写时）容易分层剥落。一片石墨薄片可能包含数百万层石墨烯，通常以交错对齐的方式堆叠。但偶尔，石墨中会出现微小的区域，其中石墨烯以不同模式堆叠，形成阶梯状错位结构。

麻省理工学院团队发现，当四到五层石墨烯以这种"菱面体"构型堆叠时，所形成的结构会展现出整块石墨所不具备的特殊电子特性。

在新研究中，物理学家们从石墨中分离出微观尺度的菱面体石墨烯薄片，并对其进行了一系列电学测试。他们发现，当薄片冷却至300毫开尔文（约零下273摄氏度）时，材料会转变为超导体，即任何流经该材料的电流都能无损耗传输。

他们还观察到，当上下扫描外部磁场时，薄片可以在两种不同的超导状态之间切换，就像磁铁一样。这表明这种超导体具有某种内在的固有磁性。这种切换行为在其他超导体中并不存在。

"传统观点认为超导体排斥磁场，"麻省理工学院物理系助理教授居龙表示，"但我们相信这是首次观测到具有明显磁性特征的超导体，且证据直接简洁。这非常反常，因为它颠覆了人们对超导性与磁性的普遍认知。"

居龙是该研究的通讯作者，合作者包括来自麻省理工学院的韩同航、卢正光、Zach Hadjri、石立涵、吴正汉、徐伟、姚宇轩、杨吉祥、Junseok Seo、叶申勇、周沐阳和傅亮，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研究人员。

石墨烯的扭转

在日常导电材料中，电子以混乱的散射方式运动，彼此擦身而过，并与材料的原子晶格发生碰撞。每次电子与原子发生散射，本质上都会遇到电阻并因此损失能量（通常以热量形式）。相比之下，当某些材料被冷却至极低温时，它们可以成为超导体，这意味着材料中的电子会形成配对（物理学家称之为"库珀对"）。这些电子对不会散射逃逸，而是无阻碍地滑过材料。因此，超导体在传输过程中不会损失能量。

自191年首次发现超导现象以来，物理学家多次证实零电阻是超导体的标志性特征。另一项决定性特征于1933年被物理学家瓦尔特·迈斯纳首次观测到，他发现超导体会排斥外部磁场。这种"迈斯纳效应"部分源于超导体中的电子对，它们会共同作用排斥任何磁场。

物理学家一直认为所有超导材料都应同时具备零电阻和天然磁斥性。正是这两种特性使磁悬浮列车成为可能 —— 超导轨道通过排斥磁化车厢实现悬浮。

居龙及其同事在麻省理工学院进行实验时，原本没有理由质疑这一假设。过去几年中，该团队一直在探索五层菱面体石墨烯的电学特性。研究人员在这种五层阶梯状石墨烯结构中观测到了令人惊奇的特性，最新发现是其能使电子分裂为分数电荷。这种现象发生在五层结构被放置在六方氮化硼（一种类似石墨烯的材料）薄片上，并以特定角度轻微偏移（即扭转）时。

出于对电子分数态随条件变化的好奇，研究人员在初始发现后进行了类似测试，这次通过错位排列石墨烯和六方氮化硼结构。令他们惊讶的是，当两种材料错位排列并在低于300毫开尔文的温度下通电时，他们测得了零电阻。似乎电子分数现象消失了，取而代之的是超导性。

研究人员进一步探索了这种新型超导态对外部磁场的响应。他们向材料施加磁体和电压，并测量输出电流。当将磁场从负向调节至正向（类似南北极）再返回时，他们发现材料在两种磁极状态下电阻会短暂激增，随后切换回零电阻的超导态。

"如果是传统超导体，它会一直保持零电阻，直到磁场达到临界点才会破坏超导性，"研究组一年级学生Zach Hadjri表示，"但我们的材料似乎在两种超导态之间切换，就像磁铁初始指向上方，在施加磁场后可以翻转向下。这看起来就像是具有磁性的超导体，完全不合常理！"

"独一无二"

尽管这一发现看似违反直觉，但研究团队在六个类似样品中观测到了相同现象。他们认为菱面体石墨烯的独特构型是关键所在。该材料的碳原子排列极为简单。当冷却至极低温时，热涨落被最小化，使得流经材料的电子减速、相互感应并产生相互作用。

这种量子相互作用促使电子配对形成超导态。这些相互作用还能协调电子的运动状态。具体而言，电子可以集体占据两种相反动量态（即"能谷"）中的一种。当所有电子占据同一能谷时，它们实际上朝同一方向自旋，反之亦然。在传统超导体中，电子可以占据任一能谷，电子对通常由相反能谷的电子组成，从而相互抵消。因此，电子对整体动量为零，不发生自旋。

但在研究团队的材料结构中，他们推测所有电子通过相互作用共享同一能谷（即动量态）。当电子配对时，超导电子对整体具有"非零"动量和自旋，众多这样的电子对共同作用就会形成内在的超导磁性。

"可以想象电子对中的两个电子顺时针或逆时针自旋，对应磁铁指向上或下，"研究组五年级学生韩同航解释道，"因此我们认为这是首次观测到由电子轨道运动产生磁性的超导体，即手性超导体。它是独一无二的，也是拓扑超导体的候选材料，可能为实现稳健量子计算提供可能。"

"我们在这种材料中发现的所有现象都完全出乎意料，"前博士后、现佛罗里达州立大学助理教授卢正光表示，"但由于这是一个简单体系，我们相信有很大机会理解其机理，并揭示某些非常深刻的基础物理原理。"

"如此简单成分竟能孕育出如此奇特的手性超导体，实在令人惊叹，"麻省理工学院物理系教授傅亮补充道，"菱面体石墨烯中的超导现象必将带来更多惊喜。"

该研究在麻省理工学院开展的部分获得了美国能源部和MathWorks奖学金的资助。

如果朋友们喜欢，敬请关注“知新了了”！