天然結構「菱方石墨烯」同時存在 4 種超導態，甚至不怕磁場破壞

人類已知數千種超導體材料，但同時具多種超導性的單一材料很少見，石墨烯就是一座驚喜不斷的超導遊樂場。近日，麻省理工學院研究人員發現「菱方石墨烯」在一定電子密度下出現至少 4 種不同超導態，更奇怪的是其中 3 種不畏強磁場，挑戰超導性會被磁場破壞的傳統認知。

在一般人眼中，石墨 = 鉛筆筆芯 = 普通碳元素，但在材料物理學家眼中，只要把石墨一層一層撕開直到剩一層原子厚度，一種奇蹟般的物質就此誕生——石墨烯（Graphene）。

它被科學家譽為終極材料，幾乎集所有物理極限於一身，比如導電速度快到接近光速 1/300、強度是鋼鐵 200 倍、硬度比鑽石高卻能像橡膠彎曲拉伸。

石墨烯本質上是具電阻的優良導體，但一群物理學家突發奇想將 2 層石墨烯以 1.1 度（後被物理學界稱為魔角）堆疊，發現石墨烯竟化身為零電阻超導材料，加上魔角石墨烯純粹由碳原子構成，科學家不需改變化學成分，只需調整外加電壓，就能讓它在絕緣體與超導體之間一鍵切換，直接開創全新扭角電子學研究領域，材料學家集體為它瘋狂。

不怕強磁場的天然超導材料

麻省理工學院物理學家 Junseok Seo、Shenyong Ye 團隊也一直在探索石墨烯特殊性質，但他們的研究方向不是人工堆疊石墨烯層創造其他魔角，而是從天然石墨烯結構尋找有趣行為。

菱方石墨烯（rhombohedral graphene）就是石墨天然結構之一，由 4 或 5 層石墨烯堆疊而成，要找到這種結構，通常會先用透明膠帶剝落石墨，然後從剝落樣品尋找階梯狀圖案。

該團隊先前已在菱方石墨烯觀察到手性超導、分數電子電荷等奇特現象，現在進一步探索其超導態多樣性，藉由添加、去除電子的實驗，發現菱方石墨烯在某電子密度下出現 4 種不同超導態。

多數超導材料只呈現一種超導機制，菱方石墨烯卻同時出現多種超導態，更驚人的是其中 3 種在 9 T（約地球磁場強度 18 萬倍）強磁場環境下不會被破壞；當團隊將磁場切換成垂直方向，發現材料超導性甚至被磁場增強，超導臨界溫度還提升。

一般情況下，磁場會破壞結合為庫柏對的電子、從而抑制超導性，新研究暗示菱方石墨烯的電子配對機制可能與傳統材料不同。研究人員對此提出假設，認為電子在特定密度下可能以自旋平行方式配對，而非傳統的反平行自旋，一旦自旋方向一致，磁場反而會穩定電子配對而非破壞。

該假設仍需更多實驗驗證，新研究強調簡單的石墨烯只要透過堆疊結構、電子密度調控，就能展現非常規量子現象，若釐清背後機制，或將設計出全新類型超導材料。

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（首圖僅為示意圖，來源：AI 生成）