2026年6月8日——佛罗里达州立大学的物理学家们加入了一个研究团队，该团队在石墨烯部分区域发现了不寻常的超导态，这有望推动意想不到的量子技术发展。

物理学助理教授Cyprian Lewandowski和博士后研究员Phong Võ Tiến参与了一项国际合作，揭示了菱面体石墨烯中关于超导性和拓扑性质的新方面。这种系统仅由几层碳原子堆叠而成，堆叠方式类似于楼梯状的手性堆叠图案。这项研究成果发表在《自然物理》杂志上。

Lewandowski说：“菱面体石墨烯系统似乎捕捉到了科学家先前在其他原子级薄系统中观察到的许多引人入胜的电子现象，但由于器件本身固有的复杂性或复现性问题，这些现象此前在技术应用上并不理想。在物理学中，一旦我们识别出一个普遍现象，我们就会尝试将其提炼到最本质的形式，以理解其背后的机制。这个菱面体系统让我们能够做到这一点。我们已经识别出这种效应的自然发生，可以在其基础上进行优化，以实现此前仅在更复杂系统中才看到的特性。”

原子级薄的菱面体石墨烯薄片可以从天然存在的石墨晶体中分离出来。在这种结构中，在低能量下，电子几乎完全局域在顶部和底部表面的特定原子上。相比之下，材料内部容纳的电荷非常少。

大量电子聚集在表面上会导致有趣的涌现量子特性，因为电荷被迫在相互排斥的同时，集体“做出选择”来决定如何在表面上分布。研究团队发现，超导性正是直接起源于这种双表面构型，其中相对表面上的电子和空穴载流子协同作用，形成了一种超导态。

合作推动有影响力的科学

参与合作的还有由共同首席研究员、华盛顿大学（西雅图）物理学副教授Matthew Yankowitz领导的实验团队，以及由不列颠哥伦比亚大学（加拿大温哥华）物理学教授Joshua Folk领导的实验团队。整个团队结合了构建高灵敏度且优化电子器件所需的材料和结构组装专业知识、探测由这些器件产生的超灵敏超导态的测量专业知识，以及将实验数据转化为对这个新平台上超导性一致性理解的理论专业知识。

Yankowitz说：“这个系统的一个额外复杂性在于负电荷和正电荷共存。在一个表面上，电荷是电子，因此带负电。在另一个表面上，它们的行为像被称为空穴的粒子，实际上带正电。这项研究正在推进我们对强关联相和拓扑相之间相互作用的基本理解，这可能是开发未来量子技术的一条途径。”

除了超导性，研究团队还观察到了量子反常霍尔效应——一种拓扑态，其中电流沿着材料边缘无电阻地流动。

“Cyprian正在将他出色的理论洞察应用于量子材料科学中的前沿问题，”FSU量子科学与工程计划主任Mike Shatruk说。“如果超导行为和拓扑态这两个现象最终能够共存，理论预测会出现所谓的马约拉纳零模，这些是构建容错量子计算的候选基础元件；它们天生就能抵御破坏量子信息的局部噪声和退相干。”

下一代量子器件

研究团队的主要目标之一，是最终将这项研究转化为量子工程领域，以开发下一代器件和探测器。该系统的另一个重要方面是存在两个垂直分隔的电荷电子层，这种几何结构以前必须手动构建。发现这种自然存在的材料态，可以在基础物理学和潜在技术应用中开辟令人兴奋的新途径。

Lewandowski说：“在20世纪，科学家通过研究氦气，获得了我们对凝聚态物理和相变的许多现代理解，我认为菱面体石墨烯在这里可能扮演类似的角色，帮助我们了解物质独特的晶相。” Lewandowski在其工作中使用了FSU研究计算中心以及由美国国家科学基金会资助、总部设在FSU的国家高磁场实验室。

这项研究得到了美国陆军研究办公室、美国能源部、国家科学基金会和FSU的资助。其他贡献者包括来自日本茨城县筑波市国立材料科学研究所的科学家。