MIT物理学家首次在魔角三层石墨烯中直接观测到非常规超导能隙，其V型特征彻底区别于传统超导体，为实现室温超导打开全新路径。
2025年11月6日，麻省理工学院的一群物理学家，用一项震撼学界的实验，把人类离“室温超导”这个终极梦想又拉近了一大步。
这次突破的主角，是一种听起来就充满科幻感的材料：魔角三层石墨烯（Magic-Angle Twisted Trilayer Graphene，简称MATTG）。别被名字吓到，其实它就是把三张只有一个原子厚的碳原子层，像叠扑克牌一样，以一个极其精确的“魔角”——大约1.1度——错开堆叠起来。
就这么简单的一个操作，却能让原本平平无奇的石墨烯，突然展现出超导、磁性、甚至强关联电子行为等奇异量子现象。
这背后，正是近年来凝聚态物理最火的领域之一：“转角电子学”（Twistronics）。
说到转角电子学，就不得不提MIT的贾里略-埃雷罗教授。早在2018年，他的团队就首次在实验室中制备出“魔角双层石墨烯”，并首次观测到其超导迹象，一举引爆全球研究热潮。从那以后，全世界成百上千个实验室开始疯狂“叠碳片”，试图复现甚至超越MIT的结果。
而这一次，他的团队没有停留在双层，而是把目光投向了更复杂的三层结构，并且干了一件此前没人做到的事——他们首次直接、明确地观测到了魔角三层石墨烯中的“超导能隙”（superconducting gap），而且这个能隙的形状，居然是一道清晰的V字形！
这听起来可能有点抽象，但请记住：这个V字，就是非常规超导的“指纹”。
在传统超导体里，比如用于医院MRI的铌钛合金，超导能隙是平坦而均匀的，像一张平铺的毯子。这是因为在传统超导中，电子之所以能配对形成“库珀对”（Cooper pairs），靠的是晶格振动——也就是原子在晶格里抖动，像媒婆一样把两个原本互相排斥的电子撮合成对。
这种机制由巴丁、库珀和施里弗在1957年提出，被称为BCS理论，也正因为如此，这类超导体被统称为“常规超导体”。
但魔角石墨烯里的电子，显然不按常理出牌。MIT的博士后朴贞珉（Jeong Min Park）和博士生孙书文（Shuwen Sun）在实验中发现，当材料进入超导态时，其能隙呈现出明显的V型结构——越靠近零能量，态密度越低，形成一个尖锐的谷底。这种形状在BCS理论框架下几乎不可能出现。它强烈暗示：这里的电子配对机制，根本不是靠晶格振动，而是源于电子之间的强相互作用本身。换句话说，电子不再需要“媒婆”帮忙，它们自己就能“看对眼”，甚至可能形成一种具有特殊对称性的量子纠缠态。
那么问题来了：科学家是怎么“看到”这个V型能隙的？要知道，超导能隙并不是肉眼可见的东西，它是一个量子力学概念，描述的是把一个库珀对拆开所需的最小能量。要测量它，需要极其精密的实验手段。过去常用的“隧穿谱学”（tunneling spectroscopy）虽然能探测电子态密度，但有个致命缺陷：它无法100%确认材料是否真的处于超导态。因为即使材料没超导，某些电子结构也可能模拟出类似能隙的信号。
为了解决这个难题，MIT团队开发了一套全新的实验平台——他们把隧穿测量和电输运测量集成在同一个器件里。什么意思呢？简单说，就是一边用量子隧穿“窥探”材料内部的电子状态，一边同时测量材料的电阻。只有当电阻真正降到零（超导的黄金标准）的时候，他们才把此时测到的隧穿信号认定为“真正的超导能隙”。这种双重验证的方式，就像给实验结果上了双保险，彻底排除了误判的可能。
更厉害的是，他们还能实时追踪这个能隙如何随温度和磁场变化。当温度升高，超导态被破坏，V型能隙就逐渐消失；当施加磁场，能隙也会被压制甚至分裂。这些动态行为进一步佐证了其非常规本质。因为在传统超导体中，磁场通常只会均匀地缩小能隙，而不会改变其基本形状。
这项研究的意义远不止于“确认魔角石墨烯是超导体”这么简单。它的真正价值在于：提供了一个可重复、可调控、且高度纯净的二维平台，用来研究非常规超导的微观机制。要知道，在铜氧化物高温超导体中，科学家已经研究了三十多年，至今仍对配对机制争论不休。部分原因在于那些材料结构复杂、缺陷多、难以精确控制。而魔角石墨烯不同——它由纯碳构成，结构干净，而且“魔角”就像一个旋钮，稍微调一调角度，电子行为就天翻地覆。这种可调性，让科学家第一次有了“在实验室里设计超导体”的能力。
朴贞珉在采访中打了个比方：“在常规超导体中，电子对彼此离得很远，结合得很松散，像一对远距离恋爱的情侣。但在魔角石墨烯里，电子对绑得非常紧，几乎像一个分子。这说明它们之间的相互作用强度完全不同。”她进一步推测，这种配对很可能源于电子之间的库仑排斥在特定条件下“反转”成了有效吸引——这正是强关联电子系统中最迷人的现象之一。
贾里略-埃雷罗教授则看得更远。他说：“如果我们能彻底理解一种非常规超导体，就可能触类旁通，理解其他所有。而这种理解，最终会引导我们设计出能在室温下工作的超导体——这几乎是整个凝聚态物理领域的‘圣杯’。”要知道，目前所有实用超导体都需要液氦（-269°C）或液氮（-196°C）冷却，成本极高。一旦实现室温超导，全球能源格局将彻底重构。
当然，现在说“室温超导马上来了”还为时过早。魔角三层石墨烯的超导临界温度目前仍只有1~2开尔文（约-272°C），比液氦还冷。但关键不在于温度高低，而在于机制的揭示。就像当年发现第一个高温超导体时，临界温度也只有30K，但随后十年就飙升到138K。机制一旦搞清楚，工程优化就是时间问题。
值得一提的是，这次实验的成功，还离不开日本国立材料科学研究所（NIMS）的渡边贤司（Kenji Watanabe）和谷口隆志（Takashi Taniguchi）提供的高质量六方氮化硼（hBN）封装材料。这种材料像“保鲜膜”一样包裹住魔角石墨烯，防止其被空气污染或结构扭曲，是实验精度的关键保障。这也再次证明：尖端科学从来不是单打独斗，而是全球协作的结晶。
那么，这项突破对普通人意味着什么？短期内可能感受不深。但长远来看，它可能催生三大变革：第一，超高效电网——电力从发电厂到你家插座，损耗趋近于零，电费大幅下降；第二，紧凑型强磁场设备——比如体积缩小十倍的MRI，让偏远地区也能享受高端医疗；第三，真正实用的量子计算机——超导量子比特的相干时间将大幅提升，错误率显著降低。
更重要的是，魔角石墨烯可能只是冰山一角。MIT团队已经表示，他们将把这个新平台用于测试其他二维转角材料，比如魔角双层氮化硼、转角过渡金属硫化物等。谁也不知道下一个“V型能隙”会在哪种材料中出现。而在抖音和TikTok上，已有科技博主开始用“电子相亲”“碳片叠叠乐”等梗科普这项研究——科学的火种，正在以最接地气的方式点燃公众的好奇心。
最后再强调一次：这次实验不是“又一个超导发现”，而是“第一个在干净二维系统中直接证实非常规超导机制”的里程碑。它把模糊的“迹象”变成了确凿的“证据”，把理论推测变成了可观测的量子图像。正如孙书文所说：“超导能隙就像一张地图，告诉我们电子是如何配对的。而这张地图，可能指向室温超导的宝藏。”
所以，魔角石墨烯悄然改变我们对物质世界的认知边界。也许就在下一个十年，你家中的充电器、电动车、甚至手机芯片，都会因为今天的这项发现而彻底变样。科技的奇迹，往往始于一个1.1度的扭转，和一群不肯放弃追问“为什么”的科学家。