《科學》重磅：觀察魔角石墨烯中非常規超導的關鍵證據

隨著“扭角電子學”的出現——即以魔角扭曲雙層石墨烯中奇異物態的發現為代表——凝聚態物理領域被徹底革新。其中，最激動人心的發現之一就是超導電性在莫爾體系中的涌現。這種現象與源自超平電子能帶的強電子-電子相互作用緊密相關。雖然超導現象的存在很快得到證實，但確定其基本性質，尤其是超導能隙的對稱性和結構，仍然是一項更具挑戰性且至關重要的任務。最近發表在《科學》的突破性實驗證據，證實了莫爾石墨烯，特別是魔角扭曲三層石墨烯中存在節點超導能隙，為該體系承載著一種非傳統超導形式提供了最確鑿的證據，將其置于與高溫銅氧化物超導體相同的神秘類別。

確定配對對稱性的探索

超導電性發生在電子配對形成庫珀對，使電流能夠以零電阻流動。這些庫珀對的穩定性由超導能隙 (Δ)來量化，它本質上是打破一個庫珀對所需的最小能量。在傳統的超導體中，如金屬單質，配對由晶格振動（聲子）介導，導致s波對稱性。這意味著能隙在整個費米面上都是恒定的，在電子態密度中形成一個平坦底部、光滑的最小值，即全能隙。

然而，在非傳統超導體中——例如高溫銅氧化物——配對機制被認為涉及強電子關聯，從而導致更復雜、各向異性的能隙對稱性，如d。這些非s波對稱性具有節點：費米面上能隙能量Δ(k)降為零的點或線。對這些節點的識別是非傳統超導電性的決定性證據，因為它直接探測了庫珀對波函數的對稱性。

實驗方法：隧穿譜與輸運測量

莫爾石墨烯面臨的核心挑戰是其能標較小且具有二維特性，這使得傳統的塊體探針難以奏效。關鍵的突破性實驗依賴于兩種技術的精密結合：

1. 隧穿譜：該技術通常通過掃描隧道顯微鏡（STM）進行，或如在關鍵的莫爾實驗中，采用雙柵極平面結結構，直接測量材料的電子態密度（DOS）。隧道結的微分電導 (dI/dV) 與 DOS 成正比。在超導體中，費米能級附近的 DOS 會形成能隙，從而揭示Δ的結構。
2. 電輸運測量：這用于測量材料的電阻。真正超導電性的明確標志是低于臨界溫度 (Tc) 時的零電阻。

通過在同一魔角扭曲三層石墨烯器件上進行同步的隧穿譜和輸運測量，研究人員能夠無可辯駁地將觀察到的能隙光譜特征與真實的零電阻超導態聯系起來。這消除了以往實驗中的歧義，即光譜能隙（也可能是贗能隙）無法被明確關聯至真實的超導電性。

節點能隙的標志

最主要的實驗發現是超導 DOS 譜的特征形狀：

• V 形電導：與傳統s波全能隙預期的平底“U”形不同，魔角扭曲三層石墨烯中的隧穿電導 (dI/dV) 在零偏壓附近呈現出明顯的 “V” 形。這種 V 形是節點能隙在光譜上的標志。在節點超導體中，準粒子激發可以存在于任意低的能量（在節點處），導致 DOS 在費米能級附近與能量呈線性關系，即DOS(E)∝ |E|。
• Volovik 效應與線性溫度依賴性：進一步的證據來自于研究材料屬性在外部條件下的變化。超導 DOS 隨著溫度和磁場的增加表現出線性填充行為，這種現象被稱為 Volovik 效應。具體來說，節點超導體的超流密度（與動能電感相關）在低溫下趨近于T=0時應與溫度成比例，ρs(T)∝1-aT。觀察到這種線性依賴關系，而非全能隙預期的指數衰減，有力地證實了節點序參量的結論。

這些綜合觀測——V 形隧穿譜、能隙填充的線性溫度依賴性以及 Volovik 效應——為魔角莫爾石墨烯中的超導電性由非s波的節點對稱性支配提供了令人信服且一致的證據。

對非傳統配對機制的深遠影響

節點超導能隙在莫爾石墨烯中的確立具有深遠的意義：

• 強電子關聯機制：節點能隙對稱性無法用 Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) 理論中微弱的聲子介導耦合來解釋。它強烈表明莫爾石墨烯中的超導電性是由超平莫爾能帶結構固有的強電子-電子相互作用驅動的。這種機制與假設中的高溫銅氧化物和鐵基超導體中的奇異配對機制相似。
• 莫爾超晶格作為量子模擬器：莫爾體系的獨特可調控性（通過扭角、柵極電壓和應變）使其成為一個高度可控的平臺，用于系統地研究競爭和共存量子態之間復雜的相互作用。理解節點對稱性是揭示這種新型關聯超導體微觀起源的第一步。
• 邁向高溫超導： 通過提供一個干凈、二維和高度可調的模型系統，對莫爾石墨烯的研究為支持非傳統配對機制的一般條件提供了關鍵的見解。這些知識對于理性設計能夠在更高、甚至室溫下實現超導的材料這一長期目標來說，是無價的——這是凝聚態物理領域的“圣杯”。

總而言之，魔角扭曲三層石墨烯中節點超導能隙的直接實驗觀測標志著一個里程碑式的時刻。它鞏固了莫爾石墨烯作為非傳統超導主要研究平臺的地位，并提供了一個關鍵的光譜標志，將這種二維材料與最神秘且最有前景的高 Tc 超導體聯系起來。對這種節點配對的對稱性和機制的持續研究，無疑將指導下一代超導技術的探索。