在超導材料中，成對的電子就像駛入擁擠公路上的專用車道，能夠避開常規交通，以零摩擦的方式穿越材料。然而，正如專用車道的通行效率受多種因素影響，電子對的流動性也取決于多個條件，其中關鍵之一是電子對在材料中的密度。這一特性被稱為“超流勁度”，即衡量電子對傳輸電流的難易程度，是評估超導性的重要指標。

在一項新發表于《自然》雜志的研究中，一個物理學家團隊首次直接測量了“魔角”石墨烯的超流勁度。研究結果表明，該材料的超導性主要取決于量子幾何，也就是材料內部可能存在的量子態的“形狀”。這一發現挑戰了傳統的超導理論，為理解二維超導材料提供了新的視角。

魔角的奇妙共振

石墨烯是一種神奇的材料，它由單層碳原子構成，碳原子以精確的六邊形晶格排列。這種看似簡單的結構賦予了石墨烯卓越的物理特性，包括超高的強度、優異的耐久性，以及出色的導電性和導熱性。2018年，物理學家發現，當兩層石墨烯以特定的角度（約1.05°）堆疊時，形成的扭曲結構，即所謂的“魔角扭曲雙層石墨烯”（MATBG），展現出非常規超導性。

MATBG之所以備受關注，部分原因在于它與高溫超導體表現出重要的相似性。此外，相較于其他超導材料，MATBG更易于研究，不僅制造工藝相對簡單，其電子密度也可通過外部手段輕松調節。然而，其超導性背后的物理機制仍未被完全揭示。測量 MATBG 的超流勁度，將為理解其超導機制提供關鍵線索，有助于推動非常規超導理論的發展。

目前，科學家可以通過微波共振器測量超導材料的超流勁度。微波共振器是一種具有特定共振頻率的設備，在該頻率下，電信號以微波頻率振蕩。當超導材料被放入其中時，它會改變共振器的共振頻率，特別是其“動電感”，而這一改變量可直接與材料的超流勁度相關聯。

然而，迄今為止，這種測量方法僅適用于大尺寸、較厚的超導材料。對于像MATBG這樣僅有原子級厚度的材料，科學家需要一種全新的測量方法。

捕獲超導信號

在MATBG中測量超流勁度的挑戰之一，是如何確保這種極其精細的材料能夠無縫連接到微波共振器表面。換言之，實現這一點的關鍵在于兩種材料之間的理想無損接觸，即超導接觸。否則，傳輸的微波信號可能會被削弱，甚至直接反射，而無法進入目標材料。

此次研究團隊長期致力于開發精準連接二維材料的技術，以推動未來量子計算設備中新型量子比特的設計。在這項研究中，他們成功地將一個微小的MATBG樣本無縫連接到鋁制微波共振器的末端。

鋁是超導量子計算研究中常見的材料，例如，許多量子比特的讀出系統依賴鋁制共振器。因此，研究人員設想：為何不將共振器的主體用鋁制造，并在其末端添加一小部分MATBG？事實證明，這是一個行之有效的方案。

具體而言，他們首先利用傳統方法組裝MATBG，并將其夾在兩層六方氮化硼（hBN）絕緣層之間，以維持MATBG的原子結構和電子特性。隨后，研究人員采用精細蝕刻技術，使其邊緣如同精密切割的蛋糕層一般整齊，以確保MATBG與共振器的無損接觸。

接著，他們在新暴露的MATBG表面沉積一層鋁（與共振器材料相同），形成可靠的金屬接觸，并連接鋁引線。最終，MATBG的鋁引線被連接至更大的鋁微波共振器。研究人員通過共振器傳輸微波信號，并測量共振頻率的變化，從而推斷出MATBG的動電感。

然而，當他們將測得的電感轉換為超流勁度后，發現其數值遠超傳統超導理論的預測。具體而言，MATBG的超流勁度比傳統理論預測值高出十倍，同時，其溫度依賴性與量子幾何理論的預期高度一致。研究人員認為，這一異常現象是一個“確鑿的證據”，表明量子幾何在調控這種二維材料的超流勁度方面發揮了關鍵作用。

這是科學家首次在二維材料中直接測量超流勁度。研究人員表示，所發展的實驗方法未來可用于測量其他二維超導材料。二維超導體家族仍有許多成員尚待探索，而這項研究，僅僅是一個開端。

#參考來源：

https://news.mit.edu/2025/physicists-measure-key-aspect-superconductivity-magic-angle-graphene-0205

https://www.nature.com/articles/d41586-025-00057-8

https://www.nature.com/articles/s41586-024-08494-7

#圖片來源：

封面圖&首圖：Eli Krantz, Krantz NanoArt