不用零下273°也能超导！MIT石墨烯逆天发现，电网能耗革命来了

抖音热门 2025年11月13日 19:30 0 aa

11月6日，麻省理工学院物理学家帕布罗·哈里略-赫雷罗团队在《科学》杂志上发表了一项研究。他们在魔角扭转三层石墨烯中，首次直接观测到了非常规超导性的关键证据。

这个发现听起来有点拗口，但简单说就是，科学家在三层石墨烯叠在一起并扭出特定角度后，发现了一种全新的超导机制。这种机制跟传统超导体完全不一样，可能为实现室温超导铺平道路。

2018年的意外发现

故事要从2018年说起。那一年，哈里略-赫雷罗团队在实验室里做了一件看起来很简单的事，把两层石墨烯以1.1度的角度叠在一起。

结果这个被称为"魔角"的特殊角度，让石墨烯展现出了前所未有的量子特性。电子在这个结构里的行为完全改变了，材料突然变成了超导体。

这个发现在物理学界引起了轰动，因为它开辟了一个全新的研究领域，叫做"扭转电子学"。意思是通过精确控制二维材料的堆叠角度，来调控材料的物理性质。

从那以后，哈里略-赫雷罗团队一直在研究各种不同的魔角结构，包括双层、三层甚至更多层的石墨烯组合。

什么是超导体

超导体是一种神奇的材料。在特定条件下，通常是极低温环境下，材料内部的电子会停止互相排斥，而是两两配对，形成所谓的"库珀对"。这些电子对能够在材料中无阻力地滑行，不会碰撞散射，也不会损耗能量。

我们日常用的电网，电流在传输过程中会有大量的能量损失。如果能用超导材料来传输电力，理论上可以实现零损耗。

但问题是传统的超导材料只能在接近绝对零度的环境下工作，也就是零下273摄氏度左右。要维持这么低的温度，需要庞大的冷却系统，成本高得吓人，根本没法大规模应用。

三层石墨烯的秘密

这次研究的对象是魔角扭转三层石墨烯。研究团队的第一作者朴贞敏解释说，他们的目标是直接确认这种材料中的非常规超导性。要做到这一点，关键是测量材料的超导能隙。

能隙是判断超导类型的核心指标。在常规超导体中，能隙曲线是平滑的U形或者凹槽形。但在这次实验中，团队发现魔角三层石墨烯的能隙形状是明显的V字形。

这个V字形能隙意味着，材料内部电子的配对机制不是传统的晶格振动导致的，而是可能由电子之间的强相互作用驱动。

为了测量这个能隙，MIT团队开发了一种全新的实验平台。他们把电子隧穿技术和电阻测量结合起来。

只有当材料的电阻完全降为零，也就是真正进入超导状态时,他们才会在信号中观测到对应的能隙峰值。这种方法让科学家能够实时观测二维材料中超导能隙的生成和演化过程。

2025年2月的另一项突破

今年2月，哈里略-赫雷罗团队和哈佛大学菲利普·金姆的团队联合在《自然》杂志上发表了另一篇论文。他们首次直接测量出了魔角石墨烯的超流刚度。

这个指标衡量的是电流中电子对流动的难易程度，是超导性的另一个重要指标。

实验显示，魔角石墨烯中的超导电流非常"硬"，意思是电子对能够非常容易地流动。

这种特性跟高温超导体的表现很相似。研究团队使用的是目前用于量子电路的复杂量子技术，把这些技术应用到了凝聚态物理系统的研究中。

从铅笔芯到超导材料

石墨烯本身不是什么稀有材料。它就是铅笔芯的主要成分石墨，只不过是单层的。

石墨由一层层的石墨烯叠加而成，每一层都是碳原子以六边形方式排列，看起来像铁丝网或者蜂巢。科学家可以通过精细剥离的方式，从石墨块中获得原子级厚度的石墨烯。

把这种日常材料通过特定的方式堆叠起来，就能展现出超导特性，这本身就很神奇。

这种材料的超导机制不同于传统超导体，这意味着它有可能在更高的温度下实现超导。

中国在超导领域的进展

说到超导研究，中国在这个领域也有不少进展。

今年6月，中国人民大学物理学院的研究团队开发了一个名为HTSC-2025的基准数据集，专门用于评估人工智能预测超导体临界温度的能力。

这个数据集包含140个样本，平均临界温度为27.3K，最高达到160K。

临界温度是指材料从正常状态转变为超导状态的温度，目前大多数超导材料的临界温度都很低，需要液氮甚至液氦来冷却。

如果能找到临界温度更高的超导材料，甚至是室温超导材料，那整个能源行业都会被颠覆。

中国人民大学的这个数据集为AI预测高温超导材料提供了一个公平的评估平台。研究团队还在不断更新这个数据集，希望通过AI算法加速高温超导体的发现。

谷歌在核聚变领域的布局

说到能源革命，谷歌最近也在核聚变领域下了重注。今年6月30日，谷歌宣布与Commonwealth Fusion Systems签署了核聚变电力采购协议。

根据协议CFS将从其第一座发电厂Arc向谷歌输送200兆瓦电力,该发电厂预计将于2030年投入运营。

CFS团队同样来自MIT,目前已经融资超过20亿美元，他们利用一种新型高温超导体,稀土钡铜氧化物，制造了目前最强的聚变磁体。这些磁体在核聚变装置中起着关键作用,用来约束高温等离子体。

高温超导材料在核聚变领域的应用，展示了超导技术的巨大潜力。

虽然核聚变发电和魔角石墨烯超导是完全不同的技术路线，但它们都指向同一个目标，就是找到更清洁、更高效的能源解决方案。

室温超导的圣杯

哈里略-赫雷罗在接受采访时说："深入理解一种非常规超导体，可能会触发我们对其他超导体的理解。

这种理解可能会指导我们设计出能在室温下工作的超导体，这可以说是整个领域的圣杯。"

室温超导如果实现，影响会是全方位的。电网不再需要冷却系统,电力传输可以实现零损耗。计算机可以用超导芯片，运算速度会大幅提升,同时能耗大幅降低。

量子计算机的稳定性也会得到极大改善，因为不需要复杂的低温环境。甚至磁悬浮列车、MRI医疗设备等等，都会因为超导材料的普及而变得更便宜、更普及。

但要实现室温超导，还有很长的路要走。目前科学家连非常规超导的机制都还没有完全搞清楚。魔角石墨烯的这个发现，提供了一个非常好的研究平台。

科学家可以通过调节魔角的大小、层数、电压等参数，来观察超导特性如何变化，从而逐步揭开非常规超导的秘密。

未来的研究方向

MIT团队计划利用这个新的实验平台，研究更多二维扭转结构材料。他们希望能够绘制出不同体系下超导能隙的全貌，为新型高温甚至室温超导体的设计提供线索。

朴贞敏说："这个平台让我们能够在同一样品上同时识别并追踪超导态与其他量子态的竞争与转化。"

这种能力对于理解复杂的量子现象非常重要，因为在这些材料中，超导态往往跟其他量子态，比如磁性态、绝缘态等等，会相互竞争、相互转化。

除了魔角石墨烯，科学家还在研究其他二维材料的扭转结构。

比如六方氮化硼、过渡金属二硫化物等等。这些材料在特定角度下也可能展现出奇特的量子特性。整个二维材料的扭转电子学，现在是凝聚态物理研究的一个热门方向。

总结

魔角石墨烯的这个发现，让我们离室温超导又近了一步。虽然目前这些材料还只能在低温下工作，但它们展现出的非常规超导机制,为未来的研究指明了方向。

科学的进步往往就是这样，一个小小的突破,可能就会打开通往新世界的大门。期待在不远的将来，我们真的能看到零能耗电网、超高效能计算机的广泛应用。

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