參考消息網12月17日報道 據西班牙《阿貝賽報》網站11月6日報道，在一個充斥着“普通汽車”的世界裏，超導體就像一級方程式賽車，能夠毫無電阻地高速傳導電力。車輛全速行駛時，能量不會受阻，也不會以熱量形式流失。正因如此，這類材料被高效應用於磁共振成像儀、粒子加速器或磁懸浮列車等設備。但這些“傳統”超導體存在一個重要局限：它們僅在超低溫環境下工作。因此需要複雜且昂貴的冷卻系統來維持其超導狀態。然而，如果超導體能在更高溫度(甚至室溫)下運行，將催生全新的技術世界，可應用於各類設備，從供電電纜、電網到實用量子計算系統。因此，全球研究人員都在全力尋找“非傳統”超導體。
如今，在追尋這一“聖杯”的過程中，美國麻省理工學院的一支物理學家團隊在美國《科學》周刊上發表論文，宣布在一種業內熟知的材料中觀測到非傳統超導性的新證據，它就是魔角扭曲三層石墨烯(MATTG)。這種實驗性結構由三層石墨烯組成，通過“扭曲”至特定角度(即“魔角”)，形成具有奇特物理性質(如導電性)的圖案。關鍵恰恰在於層間的精確角度，這會使電子能帶“扁平化”，進而促成驚人量子行為的出現。
發現證據
這項由西班牙物理學家巴勃羅·哈雷羅-埃雷羅領銜的新研究，是迄今為止對該材料確實存在非傳統超導性最直接、最具説服力的證實。具體而言，研究人員測量了MATTG的“超導能隙”，用通俗的話説，這一特性能反映材料在不同溫度下超導狀態的穩定性與本質。研究結果令人震驚：MATTG的超導能隙曲線與典型超導體完全不同。也就是説，這種材料實現無電阻導電的機制是全新的，與已知機制截然不同。
研究論文解釋道：“存在多種可能形成超導性的機制。超導能隙能為我們提供線索，揭示哪種機制可能助力室溫超導體的研發，而這類超導體終將造福整個社會。”
超導奇蹟
“超導性”這一概念可能聽起來遙遠，但事實上其潛在影響極為深遠，將永久改變技術格局及我們使用電能的方式。在“普通”電導體(如家中電線裏的銅)中，電子雖能移動，卻時常與材料本身的原子發生碰撞。這些碰撞産生摩擦，而摩擦會以熱量形式造成能量損失(例如手機充電器發熱)。若將範圍從充電器擴展到全國電網，這類損失將極為巨大。
而超導性是一種量子狀態：在特定條件下(通常是極低溫度，即“臨界溫度”)，材料會完全失去電阻。此時，電子不再發生碰撞，而是形成“庫珀對”(兩個電子結合配對)，在材料中無摩擦流動。這就好比一列火車一旦啟動，便不再需要發動機或燃料，因為受到的摩擦力為零。同樣，電流在超導體中啟動後，可無限循環流動。
如今，受低溫製冷技術的限制，超導性僅應用於關鍵且高價值的系統，如前文提到的磁共振成像儀或粒子加速器。但如果能實現室溫超導，世界將迎來巨大飛躍。例如，西班牙電網的能量損失約佔發電量的5%至10%，這些損失將徹底消失。更不用説，由於無摩擦、無熱量産生，芯片及其他電子元件無需配備冷卻系統(如手機的冷卻設計)，這將使製造更小、更高效的設備成為可能。最後，作為量子計算機“核心”的量子比特(通常依賴超導性)，無需再冷卻至接近絕對零度即可工作，因此如今僅存在於專業實驗室的超級計算機，將變得更加普及、觸手可及。
全新領域
“魔角”石墨烯隸屬於一個名為“扭曲電子學”的全新前沿研究領域。該領域專注於研究二維材料的電子特性如何在一層相對於另一層精確扭轉時發生劇烈變化。
事實上，哈雷羅-埃雷羅團隊在2018年率先通過實驗製造出扭曲雙層石墨烯，此後研究人員又探索了雙層、三層及更多層的此類材料。在MATTG中，扭轉角度是激活奇特性質的關鍵，能將電子從傳統束縛中釋放出來。
為證實MATTG的非傳統本質，哈雷羅-埃雷羅及其團隊開發了一個實驗平台，本質上是利用“隧道效應”實時“觀測”二維材料中超導性出現時的超導能隙。在量子世界中，粒子同時表現出波和粒子的特性，隧道效應指的是這些粒子(如電子)“穿越”能量勢壘(就像穿過一堵墻)的概率，這在宏觀世界中是不可想象的。
“V”形能隙
通過測量電子在MATTG中的“隧穿”難易程度，並將其與零電阻相關聯，該團隊成功繪製出超導能隙的形狀。該團隊的重大發現是，傳統超導體的能隙均勻平坦，而MATTG的能隙呈現出獨特的“V”形，這一“指紋特徵”表明其電子配對機制與眾不同。
哈雷羅-埃雷羅&&：“深入了解非傳統超導體，能幫助我們了解其他此類材料，例如指導室溫超導體的設計，可以説這是整個領域的‘聖杯’。”
理解MATTG中的這種非傳統機制，不僅是石墨烯研究的一項成就，更是一份“路線圖”，可能揭示高溫超導材料(如20世紀80年代末發現的銅氧化物)背後的物理原理，從而為科學家設計新型材料提供指導。
如今，借助哈雷羅-埃雷羅及其同事設計的新實驗平台，麻省理工學院團隊及全球其他研究小組都擁有了深入探索扭曲電子學這一充滿潛力領域的工具。這標誌着一門新物理學的開端，它可能很快讓我們擺脫能量損失的束縛，躍入新的技術時代。（編譯/韓超）
