铅笔芯中的普通石墨，在微观尺度上正展现出令人惊叹的多样性。

麻省理工学院研究人员在《自然》杂志发表的最新研究中报告称，天然石墨中存在的一种特定微观结构，能够承载多种超导态。超导性是一种电子物质状态，在这种状态下，电子相互配对，以零电阻的方式在材料中流动。

尽管目前已知的超导材料多达数千种，但一种材料同时承载多种超导形式的情况极为罕见。

研究人员在石墨的原子级薄层剥离物——石墨烯中发现了这一多重超导态现象。石墨烯是由碳原子以精确微观晶格排列而成的单原子厚度薄片。研究团队的发现来自菱方石墨烯样品，这是石墨中一种天然结构，由四层或五层石墨烯叠加而成。

有趣的是，研究人员发现菱方石墨烯中的几种新超导态能够在磁场存在的情况下持续存在，而磁场通常会破坏超导性。

更令人惊讶的是，这些超导态在磁场作用下甚至会得到增强。

总体而言，这些发现揭示了一种看似简单的材料中存在的全新非常规超导态家族。

"人们可能会认为这是一种简单、无趣的碳材料，"麻省理工学院物理学副教授龙举表示，"但我们可以通过调节某些实验'旋钮'（例如电压）来控制这种材料。这正是一种简单的物理材料能够呈现出如此多种不同超导特性的原因。"

目前，每种超导态的确切成因，以及这些超导态在通常会使超导性消失的磁场中得以维持的机制，仍不明朗。

"从基础物理学的角度来看，磁场不仅没有消灭超导性，反而增强了它，这非常奇特，"龙举说，"我们提供了大量实验结果，为研究者们思考这一现象提供了充足的素材。"

研究合著者还包括共同第一作者Junseok Seo和Shenyong Ye，以及Han Tonghang、Wu Zhenghan、Wei Xu、Yang Jixiang、Emily Aitken、Prayoga Liong、Phatthanon Pattanakanvijit、Zach Hadjri和Mingda Li。外部合作者包括共同第一作者Armel Cotten和瑞士巴塞尔大学Dominik Zumbuhl研究组成员，以及佛罗里达州立大学、佛罗里达大学盖恩斯维尔分校和日本国家材料科学研究所的研究人员。

天然阶梯结构

石墨烯及其他原子级薄的二维材料能够呈现出意想不到的电子、磁性、热学和物理特性。当两层或更多层石墨烯以精确角度叠加扭转时，"魔角"结构会突然承载各种奇异现象。

龙举研究组一直致力于探索石墨烯的特殊性质。与人工叠加扭转不同，他们专注于在天然石墨烯结构中寻找有趣的行为。近年来，他们在菱方石墨烯中发现了令人惊喜的电子特性。这种特定构型由多层石墨烯依次偏移叠加而成，形态类似阶梯。

菱方石墨烯天然存在于普通石墨中，但要找到它，首先需要剥离石墨（通常借助透明胶带），然后在剥离样品中搜寻特征性的阶梯状图案，再将其分离出来进行进一步实验。

利用这一方法，龙举团队成功分离并研究了四层和五层菱方石墨烯样品。他们迄今已发现这种结构能够承载罕见的"手性"超导形式以及分数电荷等特性。

电子流动实验

在新研究中，团队采用了一种略有不同的方法研究菱方石墨烯。此前，他们通过电"掺杂"样品——向材料中逐步注入电子的方式进行研究，并测量电压，寻找电压降至零的时刻，以此判断电流是否以零电阻通过。

通过这种方式，团队在向菱方石墨烯添加电子时观察到了超导现象。于是他们提出了一个问题：如果做相反的操作——抽取电子，会发生什么？

在新研究中，团队一边逐步降低菱方石墨烯的电子密度，一边施加外部电流测量电阻，同时在平行和垂直于石墨烯平面的方向上施加外部磁场，以寻找超导迹象。这些实验与瑞士巴塞尔大学Zumbuhl研究组合作完成，该研究组提供了一套可在高磁场和超低温条件下测试石墨烯样品的实验装置。

在这些实验中，研究人员发现在特定电子密度下，四种不同的超导态相继出现。更重要的是，其中三种超导态在较强磁场中得以持续存在。

通常，磁场会通过切断配对电子之间的联系来破坏超导性。

然而在龙举的实验中，研究团队观察到三种超导态在约9特斯拉的磁场下仍然存在，这一磁场强度约为地球磁场的18万倍。此时施加的磁场方向与材料平面平行。当他们将磁场方向改为垂直时，又发现了另一个惊喜：在特定电子密度下，超导性不仅得以维持，甚至有所增强——材料能够在高于预期的温度下持续超导。

每种超导材料都有一个临界温度，低于该温度时电子可以无阻力导电，高于则超导性消失。但研究团队发现，在特定电子密度和垂直磁场的共同作用下，菱方石墨烯中的超导性能够超越零磁场对应的临界温度而持续存在。

"超导性实际上得到了增强，也就是说，转变温度从55毫开尔文升至约90毫开尔文，"龙举解释道，"与此同时，在超导性被破坏之前，材料还能额外承受约50%至60%的电流，这非常不寻常。"

对于多种非常规超导态背后的微观机制，研究人员目前尚不明确，但提出了一种猜想。常规超导性源于电子配对，即"库珀对"，由自旋方向相反的电子组成，而磁场被认为会使自旋偏离反向构型，从而破坏超导性。

研究团队推测，在菱方石墨烯中的某些特定电子密度下，电子可能以自旋对齐的方式配对。磁场虽然仍会对自旋产生作用，但方向一致，从而保持了自旋的对齐状态，进而维持了超导性。

研究人员承认，这一想法还需要大量实验和理论层面的深入研究。目前，他们将这一结果视为一种证明：在一种看似简单的材料中，只要有恰当的测量手段和控制条件，就能涌现出全新的奇异现象。

"我们可以将最简单的化学与结构材料——晶体碳——的控制本身视为一种乐趣，"龙举研究组研究生、论文第一作者Junseok Seo表示，"我们不只是接受自然给予我们的，还在施加额外的控制，将其改变为自然本不存在、但在同一材料中可以实现的状态。"

本研究部分获得美国海军研究办公室的资助，器件制备部分在麻省理工学院的MIT.nano中心完成。

Q&A

Q1：菱方石墨烯是什么？它为什么特别？

A：菱方石墨烯是普通石墨中天然存在的一种微观结构，由四层或五层石墨烯依次偏移叠加而成，形态类似阶梯。它的特别之处在于能够承载多种非常规超导态，包括在磁场中不仅不消失反而增强的超导状态。这在数千种已知超导材料中极为罕见，也使它成为凝聚态物理研究的热点材料。

Q2：磁场通常会破坏超导性，为什么在菱方石墨烯中反而能增强超导？

A：这正是这项研究最令人惊讶的发现之一。研究人员推测，在特定电子密度下，菱方石墨烯中的电子可能以自旋方向对齐（而非相反）的方式配对。这样一来，磁场对自旋的拉力方向与对齐方向一致，不会破坏配对，反而可能起到稳固甚至增强超导的作用。但这一机制目前仍属推测，需要更多实验和理论验证。

Q3：研究人员是如何在菱方石墨烯中发现这些超导态的？

A：研究团队通过逐步降低菱方石墨烯中的电子密度，同时施加外部电流测量电阻，并配合不同方向的磁场进行实验。实验在瑞士巴塞尔大学提供的超高磁场、超低温实验环境中完成。当电阻降至零时，即表明超导态出现。通过这一方法，他们在不同电子密度下共发现了四种超导态。