魔角石墨烯，Nature！

研究背景

超导性是指在低温下电子对（库珀对）凝聚成一个宏观量子态，表现出零电阻和迈斯纳效应等特性。超导材料被广泛应用于量子计算、磁共振成像（MRI）、粒子加速器等领域。与传统的超导材料相比，非传统超导材料如铜氧化物和铁基超导体展示了不同的超导机制，特别是超导序参量中的节点结构，导致了独特的温度和掺杂依赖性。近年来，魔角扭曲石墨烯（MATMG）家族的发现为研究非常规超导性提供了新机遇。MATMG材料在强关联电子系统中展示了丰富的物理现象，包括超导性和自发对称性破缺的关联电子态，这引起了广泛的关注。然而，MATMG超导的具体机制尚不明确，现有研究主要依赖于电学输运和扫描隧道谱，缺乏对超导态内部结构的深入探索。

成果简介

为了解决这一问题，BBN Technologies的 Kin Chung Fong研究者 以及哈佛大学 Philip Kim教授团队在Nature期刊上发表了题为“Superfluid stiffness of twisted trilayer graphene superconductors”的最新论文。该团队采用射频反射技术，成功测量了TTG超导体的超流刚度（ρs），揭示了非常规的节点隙超导性。利用微波谐振器耦合技术，研究人员能够通过测量TTG样品的动力学感抗响应，准确地获取ρs的温度和掺杂依赖性。结果显示，ρs在低温下呈线性温度依赖，并且在电流偏置依赖中观察到非线性迈斯纳效应，表明超导序参量中存在节点结构。此外，研究还发现，零温度下的ρs与超导转变温度（Tc）之间存在线性相关性，类似于铜氧化物中的上村关系，暗示该超导性受相干性限制。研究人员的这一发现为理解MATMG超导性提供了强有力的证据，并为进一步研究图形化基超导材料的机制提供了重要线索。

研究亮点

（1）实验首次在魔角扭曲三层石墨烯（TTG）中测量了超流刚度（ρs），得到了与节点超导性相关的非常规超导行为。（2）实验通过射频反射技术测量与微波谐振器耦合的TTG样品的动力学感抗响应，发现ρs在低温下呈线性温度依赖，并且电流偏置依赖中存在非线性迈斯纳效应，均表明超导序参量中存在节点结构。（3）实验进一步通过掺杂依赖性研究发现，零温度下的ρs与超导转变温度（Tc）呈线性相关，这一发现与铜氧化物中的上村关系相似，提示超导性受到相干性限制。

图文解读

图1：实验装置及器件表征

图2：温度和掺杂依赖的超流刚度

图3：BKT转变，上村关系和节点配对对称性

图4：非线性迈斯纳效应结论展望

本文通过超流刚度的测量，发现MATMG展现出非常规的超导行为，尤其是节点配对对称性，这与传统的超导配对机制显著不同。线性温度依赖的超流刚度、非线性迈斯纳效应以及超导转变温度与超流刚度之间的线性关系，表明超导转变并非由库珀对破裂所主导，而是受到相位波动的控制。这一发现挑战了传统BCS理论的框架，提示超导性可能与更复杂的电子相互作用和配对机制相关。此外，研究还为探索石墨烯类材料中的超导性提供了新的方向，尤其是如何通过控制材料的结构、掺杂和温度等因素来调节超导态的相变。总之，本文揭示了超导材料中的非传统配对机制，并为未来开发基于强关联材料的新型超导体提供了宝贵的参考。

文献信息

Banerjee, A., Hao, Z., Kreidel, M. et al. Superfluid stiffness of twisted trilayer graphene superconductors. Nature 638, 93–98 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08444-3