神奇的手性超导：超导与磁性可以共存？

罗会仟2025年08月30日约 6 分钟

近期，MIT的物理学家在Nature发表研究，他们首次在特定堆垛的石墨烯——菱方石墨烯中观察到手性超导，既有无电阻的超导性质，又具内在磁性，挑战了对传统超导体与磁性材料的认知。

撰文 | 罗会仟（中国科学院物理研究所）

“如果你觉得自己超导了，那就举个手！”这句话对超导界的明星之一——石墨烯而言，是经常发生的事情。科学家们在石墨烯的各种形态，以及掺杂、转角等特殊状态下都发现了超导现象。如今，这句话对于“菱方石墨烯”来说，还要再反问一句：“是举左手，还是举右手呢？”因为这类特殊的石墨烯里呈现了一种“手性超导”的神奇状态。

为什么石墨烯如此受到超导科学家们的青睐？什么是菱方石墨烯？什么是手性超导？究竟实现手性超导有什么重要意义？

说到石墨烯，很多人大概都有所耳闻，它是世界上第一个二维材料，仅仅由一层六角形碳原子组成。石墨是铅笔芯的主要材料，它最大的特点就是具有层状结构。最早科学家可以通过手撕石墨，或者借助化学气相生长的方法，得到这种单原子层的石墨烯。

石墨烯不仅是二维材料家族里的明星，也是超导材料的明星。十几年前，科学家就已经在碱金属掺杂的石墨烯中发现了超导现象。2018年，曹原的“魔法”转角石墨烯更是出现了类似高温超导的物理现象，从而开启了全新的“转角超导二维材料”研究领域。

转角石墨烯与摩尔超晶格

当然，石墨烯的玩法不仅限于这些。传统石墨中的石墨烯堆垛方式一般叫作ABAB，也就是每层碳原子在垂直方向呈现错位排列，然后交错堆叠。转角石墨烯则是两层或多层石墨烯之间存在特定的转角，结果就是导致原子分布的周期被扩大了很多，也即存在所谓莫尔超晶格。两者相互结合，就会出现石墨烯的另一种ABC的堆垛方式，常见于三层及以上石墨烯体系，各层碳原子沿特定角度旋转，或者说相邻碳原子层之间沿碳—碳键方向发生平移，整体形成菱面体对称结构，这就是菱方石墨烯。菱方石墨烯的“魔性”更强，因为它在不同堆垛方式或转角情况下可以呈现出丰富的量子物态，例如强电子关联、超导、铁磁、铁电以及拓扑电子态等等。这一系列量子物态是新型量子器件和拓扑量子计算的重要基础。

菱方石墨烯的堆垛方式

在菱方石墨烯中，物理学家们最期待的现象之一，就是所谓的“手性超导”。就像我们人类的左手和右手，永远无法通过简单的旋转而互相重合。自然界的材料结构和物性也可能存在“手性”，例如一些有机分子的结构就可以分出“左”和“右”，它们只能通过照镜子的方式实现互相重合。在复杂的磁性材料结构斯格明子（Skyrmion）中，也可以存在“左旋”和“右旋”两类不同的磁矩排列方式，就像一个“刺猬”的球面，你试图把箭头朝左捋顺，还是朝右捋顺，是存在区别的。

菱方石墨烯中的超导电子对

超导电性的手性，就是形成超导的关键主体——库珀电子对具有非零的角动量。简单来说，就是让这一对电子跳舞，它们能分清楚是朝左转，还是朝右转。正是因为朝左转的和朝右转的电子对数量不一样，导致材料内部会存在所谓“轨道磁性”。这有点“反直觉”，因为通常情况下超导和铁磁性是“水火不相容的”，材料内部有限磁矩的存在会极大破坏超导库珀电子对的相位相干，甚至拆散电子对本身。所以进入超导态的材料往往具备完全抗磁性，它会把体内的磁通线统统排出到体外去，这样零电阻的超导态才可以安心稳定存在。不过这里的“轨道磁性”实际上要比传统的铁磁性要弱得多，仅仅是因为电子转圈圈，就像电流转圈引起磁性一样，导致微观层面有微弱的磁性。

好了，这下你可能大概明白，手性超导体中是允许磁性与超导共存的。我们可以更具体一点，手性超导体中轨道磁性，实际上是和超导电流存在螺旋手性耦合的。也就是说，超导电流朝左边流动，和朝右边流动，对应的轨道磁性的方向，是相反的！就像宏观世界里的安培定则一样。

正是因为这类手性超导的特殊性，在材料边缘会出现受到拓扑保护的状态，进而实现准粒子形式的马约拉纳费米子——一种正粒子和反粒子都是它自己的神奇粒子。马约拉纳费米子，或马约拉纳零能模是拓扑量子计算的核心载体，而拓扑量子计算则是一种非常诱人的量子计算机实现方式。在拓扑保护下，它具有很好的容错性，有可能让我们能以一种新的方式打开量子计算世界的大门。

让我们回到菱方石墨烯，在这种ABC堆垛方式的石墨结构里，大家发现不同堆垛层数会直接影响材料的性质，特别是对实现拓扑保护的电子态和超导的形成至关重要。在尝试了各种层数的菱方石墨烯之后，来自美国麻省理工学院的研究人员终于发现四层和五层石墨烯可以存在稳定的手性超导现象，其最高转变温度达到了300 mK，也就是0.3 K。尽管这仍是非常接近绝对零度的一个极低温，但让科学家们感到激动的是，这类材料具有明显的手性超导特征，也就是进入超导态之后存在时间反演对称性破缺，而且电荷密度非常低。这种轨道磁矩锁定超导电流的状态，最明显的表现就是在零磁场附近的电阻也存在类似“磁滞回线”的行为。也就是正向和反向加磁场去破坏超导态的过程中，会出现的电阻正负号不同，相当于反常霍尔效应那种信号。而且，该材料的临界磁场可以达到1.4 T，比其他类型的石墨烯超导要高，说明库珀电子对有着强耦合效应，应用的潜力更大。

手性超导的典型特征——电阻回滞

尽管科学家尚未能在四层或五层菱方石墨烯中发现马约拉纳费米子或零能模，但手性超导的强有力证据，意味着该材料可能是实现拓扑量子计算的候选者之一。未来，如果能够进一步发现临界温度更高、性能更加优越的手性超导体，新一代的信息革命，或许会加速到来！

参考文献

[1]Han, T., Lu, Z., Hadjri, Z. et al. Signatures of chiral superconductivity in rhombohedral graphene. Nature 643, 654–661 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09169-7

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