麻省理工Nature，手性超導！菱形石墨烯

【科學背景】

超導現象是物理學中的一個重要領域，其中手性超導體因其獨特的物理性質備受關注。手性超導體是一種非常規超導態，能夠自發地打破時間反演對稱性，并且通常具有非零角動量的庫珀配對。這種超導態可能容納馬約拉納費米子，為拓撲物理研究和容錯量子計算提供了重要的平臺。然而，盡管科學家們對多種候選體系進行了長期研究，手性超導性一直難以捉摸。

近年來，石墨烯作為一種二維材料，因其獨特的電子結構和物理性質，成為研究超導現象的理想材料。本文研究了菱形多層石墨烯中的超導現象，揭示了其可能的手性超導特性，為拓撲超導研究開辟了新的方向。

【科學貢獻】

近期，麻省理工學院團隊發表了題為“Signatures of chiral superconductivity in rhombohedral graphene”的論文。該研究聚焦于菱形四層和五層石墨烯中的超導現象，發現了一種不依賴于摩爾超晶格效應的強健非常規超導態。研究團隊在門控誘導的平導帶中觀察到兩個超導態，臨界溫度（T_c）高達300 mK，電荷密度（n_e）低至2.4×1011 cm?2。研究結果表明，這些超導態具有自發的時間反演對稱性破缺，并表現出手性超導的特征，如在垂直磁場下電阻的磁滯現象、對平面內磁場的魯棒性以及零磁場下的反常霍爾信號。該研究不僅為研究拓撲超導提供了純碳材料平臺，還為探索馬約拉納模式和拓撲量子計算提供了新的可能性。 ?

圖1 ?菱形堆疊四層和五層石墨烯的超導相圖

圖2 ?超導態下電阻隨磁場變化的磁滯回線

圖3 ?超導態正常態的溫度依賴性反常霍爾效應和磁滯回線

圖4??超導態正常態的溫度依賴性反常霍爾效應和磁滯回線

圖5??超導態正常態的溫度依賴性反常霍爾效應和磁滯回線

【創新點】

1. 超導態的自發時間反演對稱性破缺：研究團隊首次在菱形堆疊石墨烯中觀察到超導態的自發時間反演對稱性破缺，這是手性超導性的關鍵特征。這一發現突破了傳統超導體的限制，為研究非常規超導機制提供了新的模型。（圖2）。
2. 超導態的軌道磁性和谷極化：通過磁場掃描和量子振蕩測量，研究團隊揭示了超導態的軌道磁性和谷極化特性。這種特性使得超導態在垂直磁場下表現出極高的臨界磁場，遠高于傳統石墨烯超導體，為強耦合超導研究提供了新的方向（圖3）。
3. 強耦合超導性：研究團隊發現，菱形堆疊石墨烯中的超導態接近BCS-BEC交叉區域，表現出強烈的電子耦合。這一發現不僅為理解強耦合超導機制提供了新的實驗依據，也為實現拓撲量子計算提供了新的材料平臺（圖5）。

【科學啟迪】

本文為超導物理領域帶來了新的突破。該研究不僅首次在純碳材料中觀察到手性超導性，還揭示了其獨特的物理特性，如自發的時間反演對稱性破缺和軌道磁性。這些發現不僅為理解非常規超導機制提供了新的視角，也為實現拓撲量子計算奠定了基礎。未來的研究可以進一步探索手性超導態的微觀機制，以及如何利用這些特性開發新型量子器件。

文章詳情： https://doi.org/10.1038/s41586-025-09169-7