鉛筆芯中的普通石墨，在微觀尺度上正展現出令人驚嘆的多樣性。
麻省理工學院研究人員在《自然》雜誌發表的最新研究中報告稱，天然石墨中存在的一種特定微觀結構，能夠承載多種超導態。超導性是一種電子物質狀態，在這種狀態下，電子相互配對，以零電阻的方式在材料中流動。
儘管目前已知的超導材料多達數千種，但一種材料同時承載多種超導形式的情況極為罕見。
研究人員在石墨的原子級薄層剝離物——石墨烯中發現了這一多重超導態現象。石墨烯是由碳原子以精確微觀晶格排列而成的單原子厚度薄片。研究團隊的發現來自菱方石墨烯樣品，這是石墨中一種天然結構，由四層或五層石墨烯疊加而成。
有趣的是，研究人員發現菱方石墨烯中的幾種新超導態能夠在磁場存在的情況下持續存在，而磁場通常會破壞超導性。
更令人驚訝的是，這些超導態在磁場作用下甚至會得到增強。
總體而言，這些發現揭示了一種看似簡單的材料中存在的全新非常規超導態家族。
"人們可能會認為這是一種簡單、無趣的碳材料，"麻省理工學院物理學副教授龍舉表示，"但我們可以通過調節某些實驗'旋鈕'（例如電壓）來控制這種材料。這正是一種簡單的物理材料能夠呈現出如此多種不同超導特性的原因。"
目前，每種超導態的確切成因，以及這些超導態在通常會使超導性消失的磁場中得以維持的機制，仍不明朗。
"從基礎物理學的角度來看，磁場不僅沒有消滅超導性，反而增強了它，這非常奇特，"龍舉說，"我們提供了大量實驗結果，為研究者們思考這一現象提供了充足的素材。"
研究合著者還包括共同第一作者Junseok Seo和Shenyong Ye，以及Han Tonghang、Wu Zhenghan、Wei Xu、Yang Jixiang、Emily Aitken、Prayoga Liong、Phatthanon Pattanakanvijit、Zach Hadjri和Mingda Li。外部合作者包括共同第一作者Armel Cotten和瑞士巴塞爾大學Dominik Zumbuhl研究組成員，以及佛羅里達州立大學、佛羅里達大學蓋恩斯維爾分校和日本國家材料科學研究所的研究人員。
天然階梯結構
石墨烯及其他原子級薄的二維材料能夠呈現出意想不到的電子、磁性、熱學和物理特性。當兩層或更多層石墨烯以精確角度疊加扭轉時，"魔角"結構會突然承載各種奇異現象。
龍舉研究組一直致力於探索石墨烯的特殊性質。與人工疊加扭轉不同，他們專注於在天然石墨烯結構中尋找有趣的行為。近年來，他們在菱方石墨烯中發現了令人驚喜的電子特性。這種特定構型由多層石墨烯依次偏移疊加而成，形態類似階梯。
菱方石墨烯天然存在於普通石墨中，但要找到它，首先需要剝離石墨（通常藉助透明膠帶），然後在剝離樣品中搜尋特徵性的階梯狀圖案，再將其分離出來進行進一步實驗。
利用這一方法，龍舉團隊成功分離並研究了四層和五層菱方石墨烯樣品。他們迄今已發現這種結構能夠承載罕見的"手性"超導形式以及分數電荷等特性。
電子流動實驗
在新研究中，團隊採用了一種略有不同的方法研究菱方石墨烯。此前，他們通過電"摻雜"樣品——向材料中逐步注入電子的方式進行研究，並測量電壓，尋找電壓降至零的時刻，以此判斷電流是否以零電阻通過。
通過這種方式，團隊在向菱方石墨烯添加電子時觀察到了超導現象。於是他們提出了一個問題：如果做相反的操作——抽取電子，會發生什麼？
在新研究中，團隊一邊逐步降低菱方石墨烯的電子密度，一邊施加外部電流測量電阻，同時在平行和垂直於石墨烯平面的方向上施加外部磁場，以尋找超導跡象。這些實驗與瑞士巴塞爾大學Zumbuhl研究組合作完成，該研究組提供了一套可在高磁場和超低溫條件下測試石墨烯樣品的實驗裝置。
在這些實驗中，研究人員發現在特定電子密度下，四種不同的超導態相繼出現。更重要的是，其中三種超導態在較強磁場中得以持續存在。
通常，磁場會通過切斷配對電子之間的聯繫來破壞超導性。
然而在龍舉的實驗中，研究團隊觀察到三種超導態在約9特斯拉的磁場下仍然存在，這一磁場強度約為地球磁場的18萬倍。此時施加的磁場方向與材料平面平行。當他們將磁場方向改為垂直時，又發現了另一個驚喜：在特定電子密度下，超導性不僅得以維持，甚至有所增強——材料能夠在高於預期的溫度下持續超導。
每種超導材料都有一個臨界溫度，低於該溫度時電子可以無阻力導電，高於則超導性消失。但研究團隊發現，在特定電子密度和垂直磁場的共同作用下，菱方石墨烯中的超導性能夠超越零磁場對應的臨界溫度而持續存在。
"超導性實際上得到了增強，也就是說，轉變溫度從55毫開爾文升至約90毫開爾文，"龍舉解釋道，"與此同時，在超導性被破壞之前，材料還能額外承受約50%至60%的電流，這非常不尋常。"
對於多種非常規超導態背後的微觀機制，研究人員目前尚不明確，但提出了一種猜想。常規超導性源於電子配對，即"庫珀對"，由自旋方向相反的電子組成，而磁場被認為會使自旋偏離反向構型，從而破壞超導性。
研究團隊推測，在菱方石墨烯中的某些特定電子密度下，電子可能以自旋對齊的方式配對。磁場雖然仍會對自旋產生作用，但方向一致，從而保持了自旋的對齊狀態，進而維持了超導性。
研究人員承認，這一想法還需要大量實驗和理論層面的深入研究。目前，他們將這一結果視為一種證明：在一種看似簡單的材料中，只要有恰當的測量手段和控制條件，就能湧現出全新的奇異現象。
"我們可以將最簡單的化學與結構材料——晶體碳——的控制本身視為一種樂趣，"龍舉研究組研究生、論文第一作者Junseok Seo表示，"我們不只是接受自然給予我們的，還在施加額外的控制，將其改變為自然本不存在、但在同一材料中可以實現的狀態。"
本研究部分獲得美國海軍研究辦公室的資助，器件製備部分在麻省理工學院的MIT.nano中心完成。
Q&A
Q1：菱方石墨烯是什麼？它為什麼特別？
A：菱方石墨烯是普通石墨中天然存在的一種微觀結構，由四層或五層石墨烯依次偏移疊加而成，形態類似階梯。它的特別之處在於能夠承載多種非常規超導態，包括在磁場中不僅不消失反而增強的超導狀態。這在數千種已知超導材料中極為罕見，也使它成為凝聚態物理研究的熱點材料。
Q2：磁場通常會破壞超導性，為什麼在菱方石墨烯中反而能增強超導？
A：這正是這項研究最令人驚訝的發現之一。研究人員推測，在特定電子密度下，菱方石墨烯中的電子可能以自旋方向對齊（而非相反）的方式配對。這樣一來，磁場對自旋的拉力方向與對齊方向一致，不會破壞配對，反而可能起到穩固甚至增強超導的作用。但這一機制目前仍屬推測，需要更多實驗和理論驗證。
Q3：研究人員是如何在菱方石墨烯中發現這些超導態的？
A：研究團隊通過逐步降低菱方石墨烯中的電子密度，同時施加外部電流測量電阻，並配合不同方向的磁場進行實驗。實驗在瑞士巴塞爾大學提供的超高磁場、超低溫實驗環境中完成。當電阻降至零時，即表明超導態出現。通過這一方法，他們在不同電子密度下共發現了四種超導態。
