MIT中國學者發現兼具磁性、手性、超導性的新量子態_風聞

自1911年首次觀察到超導體以來，物理學家假設所有超導材料都應該同時表現出零電阻和與磁性的排斥。然而，5月22日時任美國麻省理工學院助理教授的巨龍在Nature封面發表了一項最新研究成果，揭示了一種在五層菱面體堆疊石墨烯中同時存在磁性（自旋磁性）、手性（軌道磁性）和超導性的新量子態。這一發現打破了長期以來對於超導性和磁性的傳統認知，為理解和開發量子材料提供了全新視角。

撰文 | 路飛

巨龍 | 圖源：本人提供

今年5月22日，時任美國麻省理工學院助理教授的巨龍與合作者在Nature雜誌發表了一項最新研究成果，揭示了一種在五層菱面體堆疊石墨烯中同時存在磁性、手性和超導性的新的量子態。“這項研究成果無論是對我們研究小組，還是對凝聚態物理學界來説，都是振奮人心的。”接受《返樸》採訪時，巨龍説道。

巨龍現為麻省理工學院副教授，是一名凝聚態物理學家。在此之前，他的研究小組於2023年在菱方石墨烯和六方氮化硼的摩爾超晶格中發現了分數量子反常霍爾效應。這一發現是在沒有理論預言的情況下做出的，令凝聚態物理學界頗感意外。2024年，在進一步探索分數量子反常霍爾效應的機理時，他們發現了在摩爾超晶格效應缺失的情況下，菱方石墨烯表現出了手性超導的性質。

所謂“醉翁之意不在酒，在乎山水之間也”。巨龍一開始研究菱方晶體石墨烯的動機在於探索受量子力學原理支配的強關聯電子材料的特性，而並不知道會發生什麼樣的具體現象。“當大量的原子和電子以晶體形式聚集在一起時，它們之間的相互作用會導致怎樣的宏觀現象，這非常令人着迷。”分數量子反常霍爾效應和手性超導體，這兩個完全不一樣的新的強關聯電子現象，在沒有理論預言的情況下，被巨龍的研究小組在菱方晶體石墨烯中先後發現。

迷人的量子反常霍爾效應

要了解分數量子反常霍爾效應，還要從霍爾效應説起。

1879年，美國科學家埃德温·霍爾（Edwin Hall）在探究金屬導電機制時觀察到：當對一塊導體施加電流，並同時施加一個與電流方向垂直的磁場時，由於洛倫茲力的作用，導體內電子的運動軌跡會發生偏轉，進而在垂直於電流和磁場方向的導體兩端產生電壓，該電壓被稱作霍爾電壓，這一現象則被命名為霍爾效應。

1980年初，德國物理學家K. von Klitzing在研究二維電子系統的霍爾電阻時，於1.5 K低温（宇宙背景温度約為2.7 K）和18 T強磁場（強度約為地磁場的幾十萬倍）的極端條件下發現，樣品的霍爾電阻出現了一系列量子化的平台，同時縱向電阻呈現零電阻態。包括Klitzing在內的眾多科學家迅速意識到，這一現象與二維電子系統在磁場中形成的朗道能級相關，且量子化霍爾平台恰好出現在朗道能級填充為整數的情況下，因此該現象被稱為整數量子霍爾效應。鑑於這一重大實驗發現，Klitzing於1985年榮獲諾貝爾物理學獎。

1982年，美國貝爾實驗室的崔琦與H. Stormer，採用純度更高的砷化鎵量子阱二維電子樣品，並在更低温環境下開展研究，成功發現分數量子霍爾效應這一更為驚人的現象。他們觀察到，當朗道能級填充因子為分數時，同樣會出現量子化的霍爾平台，這一現象表明系統中產生了分數電荷激發。要知道，單個電子攜帶一份元電荷，在真空中電子不會出現分數電荷，然而當大量電子在固體材料中發生複雜相互作用，就能夠衍生出分數電荷激發。

分數量子霍爾效應是一種與整數量子霍爾效應有着本質區別的強關聯量子物態，屬於奇異的量子流體。它具備由電子關聯形成的拓撲序，展現出長程量子糾纏與分數電荷激發的特性，部分分數量子霍爾態的準粒子激發甚至可能遵循非阿貝爾統計，因而成為拓撲量子計算的重要備選方案之一。憑藉分數量子霍爾效應的實驗發現與理論闡釋，相關研究成果榮獲1998年諾貝爾物理學獎。

整數和分數量子霍爾效應的出現，均離不開磁場下二維電子系統所形成的朗道能級結構，而這一結構的產生依賴強磁場與極低温條件。由此引出疑問：是否存在無需磁場的量子霍爾效應？1988年，美國理論物理學家D. Haldane率先給出解答。他設想為石墨烯賦予一種特殊的磁通結構，以此達成淨磁場為零的狀態。經計算，他證實在此情形下能夠出現零磁場下的整數量子霍爾效應，該效應後來被命名為量子反常霍爾效應。這項理論成果也是D. Haldane榮獲2016年諾貝爾物理學獎的關鍵成就之一。

Haldane模型要求的磁通結構在真實材料中幾乎是不可能實現的，因此量子反常霍爾效應在之後20餘年的時間裏面，一直未能獲得實驗實現。直到2013年，中國科學家薛其坤院士帶領的實驗團隊，於磁性摻雜的拓撲絕緣體薄膜中，首次觀測到整數量子反常霍爾效應。這一重大科研成果，也榮獲了2018年國家自然科學一等獎。

那麼，是否能夠在零磁場條件下實現分數量子反常霍爾效應呢？長久以來，人們始終未能找到可實現分數量子反常霍爾效應的材料體系，直到二維材料莫爾超晶格的問世，才為這一難題帶來了新的突破契機。

自然界中存在一類具有天然層狀結構的材料，其層間通過相對較弱的範德華力（分子或原子之間存在的微弱的非鍵合相互作用力）連接，因此這類材料易於解理，如今通常簡稱為二維材料。其中最具代表性的層狀材料當屬石墨——2004年，英國科學家A. Geim與K. Novoselov通過膠帶剝離石墨的方法，首次成功製備出單原子層的石墨烯。

石墨烯本身具備諸多有趣的物理特性，而更引人關注的是，當將兩層石墨烯堆疊並旋轉特定角度（即後來所稱的“魔角”）時，會形成新的週期性結構——摩爾超晶格。這種超晶格能顯著改變材料的能帶結構與物理性質，使得魔角石墨烯呈現出單層石墨烯所不具備的諸多特性。例如，2018年麻省理工學院P. Jarillo - Herrero團隊首次在魔角石墨烯中觀測到超導態和關聯絕緣體，這一發現掀起了利用摩爾超晶格研究二維材料新奇物性的熱潮。

基於二維材料摩爾超晶格體系，國內外研究者圍繞分數量子反常霍爾效應展開了大量理論探索，最終將研究重點聚焦於轉角MoTe₂和轉角石墨烯體系（通過人工精確旋轉兩層晶體構建摩爾超晶格）。實驗上，分數量子反常霍爾效應於2023年8月在轉角MoTe₂中首次被發現。

至此，量子反常霍爾效應研究的大體脈絡梳理完畢，本文的主角登場了。

這和任何一種超導體都不一樣

巨龍自從讀博時開始，一直在研究石墨烯的電子特性，從一層、二層、三層、四層直到五層石墨烯。通過簡單的計算，他發現四層和五層的電子能帶明顯要比三層以下更平，有利於催生由電子之間的相互作用導致的奇異現象。直到2023年夏天，巨龍帶領團隊通過實驗發現，如果將五層結構石墨烯與六方氮化硼（hBN）對齊，就會出現分數量子反常霍爾效應。不同於轉角MoTe₂，這一發現是在完全沒有理論預測的情況下做出的，而且當時就觀測到了6個不同的分數態（遠多於轉角MoTe₂中的兩個）。

這一發現當時在學界引起了重大反響，一是這項研究證明了基於菱方晶體石墨烯的摩爾超晶格可以產生量子反常霍爾效應，而不是大家之前預言的轉角石墨烯。二來前者產生此效應的微觀機理明顯有悖於常理，也明顯不同於轉角MoTe₂。直到現在，理論學家依然沒有在這一機理上達成一致意見。有些理論建議量子反常霍爾效應甚至不需要摩爾超晶格效應。

為了進一步探究微觀機理，巨龍團隊故意將石墨烯和氮化硼之間的轉角增大，以弱化摩爾效應直至可以忽略。讓團隊成員震驚的是，在這樣的條件下，量子反常霍爾效應完全消失了，取而代之的是超導性。

巨龍在做實驗 | 圖源：本人提供

按照凝聚態物理的研究範式，巨龍想更進一步瞭解這種新的超導體將如何響應外部磁場。於是在材料上施加了磁場和電流，並測量了材料的電阻。當他們將磁場從負調到正並再次調回來時，他們觀察到材料先是保持其超導、零電阻狀態，然後電阻短暫地飆升，最後後切換回零，並返回到超導狀態。當反向調節磁場時，電阻也發生了類似的變化，而且電阻對正反向磁場的響應表現出像磁鐵一樣的磁滯回線現象。簡單來説，超導和磁性（非自旋磁性，而是軌道磁性，證明了超導具有手性）在同一個材料的同一種狀態裏共存了。不僅如此，電阻的磁滯回線現象在超導轉變温度以上也被觀測到了。

這個發現非常不尋常，因為之前沒有任何一種超導體表現出這樣的磁滯回線現象。畢竟自1911年荷蘭物理學家卡麥林·昂尼斯（Heike Kamerlingh Onnes）首次觀察到超導體以來，超導研究的基本經驗是超導性和磁性應該是互相排斥的。

“我不是做超導出身的，當看到這個現象時我非常謹慎，小心翼翼地去向很多研究超導體的專家請教，他們都沒有發現過這個現象，更別説是在平平無奇的晶體石墨烯中，沒有施加魔角石墨烯那樣的層間轉角或者其他的複雜的實驗條件！”巨龍回憶道。

以往石墨烯的研究圍繞在魔角石墨烯的超導性上，即把石墨烯的層間轉角偏轉到某個精確角度使其成為超導體；也有研究晶體石墨烯的磁性，例如通過調整納米帶的寬度、邊緣結構或者摻雜非碳原子調節石墨烯磁性，或者通過實現電子平帶來引發自旋和軌道磁矩。此時的實驗結果擺在眼前，在晶體石墨烯中，超導和磁性共存了，這和此前任何一種超導體都不一樣！

儘管這一發現似乎有悖常理，但團隊接下來在六個類似的樣本中均觀察到了相同的現象。“我們推測菱方石墨烯的獨特構型是關鍵。該材料具有非常簡單的碳原子排列。由於其具有非常平坦的電子能帶，電子間的相互作用非常強烈。當冷卻到超低温時，熱漲落最小，這種量子相互作用可以導致電子配對和超導。不僅如此，在這個特殊的體系中，電子可以共同佔據兩個相反的動量狀態或‘谷’之一。當所有電子都位於一個‘谷’中時，它們實際上會沿同一個方向旋轉，而不是相反方向旋轉。這種旋轉類似於人的左手和右手，使得我們觀測到的超導體具有了手性。當電子配對時，超導對總體上具有“非零”動量和軌道角動量，這種軌道旋轉類似一個電流環，就可以產生軌道磁矩並被外加磁場翻轉，導致我們觀測到的磁滯回線現象。”

在以往的超導體（包括魔角和層數小於三層的晶體石墨烯）中，電子可以佔據任一“谷”，任何一對電子通常由相互抵消的相反“谷”的電子組成。導致宏觀上的超導體並不具備軌道磁矩和磁滯回線現象。

在理解所觀測到的超導現象時，巨龍的理論合作者傅亮（MIT物理系教授）提供了關鍵的幫助，尤其是指出了沒有其他任何一種超導體在轉變温度以上有電阻的磁滯回線現象。

説服大眾接受新鮮事物總是困難重重，説服審稿專家更是一波三折。

這篇文章從2024年9月投稿，前後通過了三輪審稿。第一輪反饋中，一位審稿人態度積極，另外兩位審稿人“完全沒看懂”。巨龍團隊不僅提交了糾正對方觀念的解釋説明，更進一步補充了更多的實驗證據來支持手性超導的結論。第二輪反饋中，此前持反對意見的審稿人態度直接180度大轉彎。“能夠把非常反對的人變成堅定支持的人”，這讓團隊喜出望外。第三輪反饋只剩下文章細枝末節的格式問題。

“如果我在標題中説明‘不需要魔角的一種石墨烯超導體’，編輯可能會找一些研究石墨烯相關的審稿人，文章接收速度會快一些。但是我們在文章裏説的是‘手性超導體’，完全跳出了石墨烯或者二維超導體的範疇。這樣導致的結果是編輯可能會找一些和石墨烯完全不相關的審稿人，以跟所有超導體作比較的標準來衡量我們的文章。這就會導致審稿人因為不熟悉石墨烯而誤解我們的工作。”巨龍推測審稿時可能會遇到的問題，“但是我跟學生説，我們不應該犧牲這篇文章的價值，應該讓所有研究超導體的人都知道這個工作。最終我們沒有做出妥協。”

2025年5月22日，這篇文章在未經過編輯的情況下被Nature優先快速發表，在學界引起廣泛轟動。

要做讓人眼前一亮的研究

完成這項研究工作，可以説既有偶然性，也有必然性。

偶然性是指巨龍在研究二維材料的分數量子反常霍爾效應的時候，誤打誤撞發現了五層菱面體石墨烯中同時存在磁性和超導性的新的量子態；必然性是指只有巨龍堅持用光學和電學手段研究別人眼中“平平無奇”的晶體石墨烯，哪怕遇到層層阻撓。

最大的攔路虎之一就是沒有設備。這要追溯到2022年，巨龍一門心思在研究五層菱面體石墨烯，做出了石墨烯樣品，但是苦於沒有稀釋製冷機設備。資金基本都去買光學設備了，只能去找別人合作借用稀釋製冷機來做電學測量，但是碰一鼻子灰，因為機器不是説借用一次兩次就可以了，有時候甚至要用幾個月。很多人，包括系主任，勸他不要做這個吃力不討好的研究，畢竟這是別人研究的舒適區，“我一個外人貿然闖進去風險太大，有可能影響到我在MIT拿終身教職。”巨龍説。

此外就是申請基金困難。“申請基金壓力非常大，因為很難説服基金項目經理我可以比專門做電學實驗的研究者在他們的領域做出更好的工作。兩年前到現在我還沒有餓死，算是比較幸運的。”

但巨龍是一個冒險家，他看到了一個非常好的機會就一定要抓住。“所有這些外部壓力反而讓我覺得興奮，因為一旦做出好的東西，每個人都會被震驚”。最終他東拼西湊，在2022年9月買了一台50萬美元的稀釋製冷機。

2023年6月稀釋製冷機剛安裝好，巨龍就帶領學生緊鑼密鼓開展了實驗。一天下午，在辦公室討論時，研究生韓同航説“似乎看到了分數量子反常霍爾效應”。“我當時沒反應過來，‘哦’了一聲，隔了幾秒又和他確認，這一刻才意識到發現了非常重要的結果！後面我們早上討論下午做什麼，下午討論晚上做什麼，節奏非常快，絲毫不知疲倦。”僅僅一年以後，在同一台稀釋製冷機中他們又發現了手性超導體。

回看這些研究成果，本質上都在於避開主流,去探索新的方向。“可能別人會覺得拋開非常火爆的魔角石墨烯而去研究少有人看好的晶體石墨烯是一件很不明智的事情，但是我覺得物理學的本質不在於體系本身的複雜性，而是在於在最簡單的體系裏發現最奇妙的現象。晶體石墨烯存在於天然石墨當中，具有最簡單的結構和更好的均勻性。其本身就具有非常好的電子平帶，並且可以被電場連續調節。這些好的性質是魔角石墨烯所不具備的。”

“縱觀科學發展史，很多跳躍式發展就是需要有人不走尋常路。跟隨別人的腳步做研究，確實是一條保守穩妥的路，但是這條路上人太擁擠了。我更想挑戰現有的認知和知識框架，哪怕我可能會因此失去終身教職的機會。”

分數量子反常霍爾效應和手性超導的兩篇文章對巨龍影響深遠，可以説是“事業的轉折點”，他不僅陸續收到了各大高校和國際會議的報告邀請，還能夠和此前仰望的科研工作者並肩作戰。“像文小剛老師，他是凝聚態物理學界的頂尖學者，我以前從未想到能和文老師有交集，如今研究課題有交叉，我和文老師會時不時一起交流研討， 並在手性超導的課題上（我）有幸一起發表了一篇理論文章。”

菱形堆疊多層石墨烯展現出高可調性、低維度效應以及豐富的自旋和谷自由度，這些優勢使其在拓撲超導、量子計算等領域具有巨大應用潛力。巨龍表示，他們將進一步探索目前找到的這個超導體是否是拓撲超導體。“現有的理論都顯示出這個超導體非常可能是拓撲的。”

“青年人還是要勇敢去探索新的領域，往往會得到意想不到的驚喜。”巨龍説，在這兩個實驗中，研究生韓同航和博士後陸正光起到了關鍵作用。“跟我類似，他們兩個之前也沒有研究量子霍爾效應和超導的經驗。這反而在最大程度保證了我們不被以往的經驗所束縛，從而可以純粹被好奇心驅使，來探索一個新的材料體系中所有可能的未被理論預言的新奇現象。”

作者簡介

巨龍，1987年出生于山西太原，高中畢業於山西大學附中，曾獲全國中學生物理競賽銀牌，2005年保送進入清華大學數理基礎班學習，2009年從清華大學本科畢業後，前往美國加州大學伯克利分校讀博。2015年博士畢業後到康奈爾大學進行博士後研究，2019年加入麻省理工學院至今，目前為MIT的Lawrence and Sarah W. Biedenharn Career Development副教授。

參考資料

[1] https://physics.mit.edu/faculty/long-ju/

[2] https://cqe.mit.edu/long-ju-2/

[3]https://www.quantamagazine.org/exotic-new-superconductors-delight-and-confound-20241206/

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