谈到石墨烯材料，超导性一直是家族中的“谈资”。

石墨烯是一种单原子薄材料，可以从与铅笔芯相同的石墨中剥离。这种超薄材料完全由碳原子制成，碳原子以简单的六角形排列，类似于铁丝网。自 2004 年发现以来，石墨烯以其单层形式而具备的许多显着特性不断被挖掘。

2018 年，麻省理工学院的研究人员发现，如果两个石墨烯层以非常特定的“魔”角堆叠，扭曲的双层结构可以表现出强大的超导性，这是一种广泛寻求的材料状态，其中电流可以以零能量损失流过。最近，研究人员发现在扭曲的三层石墨烯中存在类似的超导状态——这是一种由三层石墨烯层以精确的新魔角堆叠而成的结构。

该团队报告指出，四层和五层石墨烯可以以新的魔角扭曲和堆叠，从而在低温下产生强大的超导性。这一最新发现于本周发表在《自然材料》杂志上，确立了石墨烯的各种扭曲和堆叠配置，作为第一个已知的多层魔角超导体“家族”。该团队还确定了石墨烯家族成员之间的异同。

麻省理工学院的物理学家已经将扭曲石墨烯建立为坚固超导体的新“家族”，每个成员都由交替的石墨烯层组成，以精确的角度堆叠。图片来源：麻省理工学院

这些发现可以作为设计实用的室温超导体的蓝图。如果家庭成员之间的特性可以复制到其他天然导电材料中，它们就可以被利用，例如，在不耗散的情况下输送电力或建造无摩擦运行的磁悬浮列车。

“魔角石墨烯系统现在是一个合法的‘家族’，超越了几个系统，”主要作者、麻省理工学院物理系研究生 Jeong Min (Jane) Park 说：“拥有这个家族特别有意义，因为它提供了一种设计坚固超导体的方法。”

在当前的研究中，该团队希望提高石墨烯层的数量。他们制造了两个新结构，分别由四个和五个石墨烯层制成。每个结构交替堆叠，类似于扭曲的三层石墨烯的移位奶酪三明治。

该团队将这些结构保存在低于 1 开尔文（约 -273 摄氏度）的冰箱中，让电流流过每个结构，并在各种条件下测量输出，类似于对其双层和三层系统的测试。

总体而言，他们发现四层和五层扭曲石墨烯也表现出强大的超导性和平坦的带。这些结构还与它们的三层结构有其他相似之处，例如它们在不同强度、角度和方向的磁场下的响应。

这些实验表明，扭曲的石墨烯结构可以被认为是一个新的家族，或一类常见的超导材料。实验还表明，这个家族中可能有一只害群之马：最初的扭曲双层结构在共享关键特性的同时，也显示出与其兄弟姐妹的细微差异。例如，该小组之前的实验表明，与多层结构相比，该结构的超导性在较低的磁场下会失效，并且随着磁场的旋转而变得更加不均匀。

该团队对每种结构类型进行了模拟，以寻求对家庭成员之间差异的解释。他们得出的结论是，扭曲双层石墨烯的超导性在某些磁性条件下消失的事实仅仅是因为它的所有物理层都以“非镜像”形式存在于结构中。换句话说，结构中没有两层是镜像对立的，而石墨烯的多层兄弟呈现出某种镜像对称性。这些发现表明，驱动电子以稳健的超导状态流动的机制在扭曲的石墨烯家族中是相同的。

“这很重要，”帕克指出：“在不知道这一点的情况下，人们可能会认为双层石墨烯与多层结构相比更传统。但我们表明，这整个家族可能是非常规的、坚固的超导体。”