摘要：菱形堆叠多层石墨烯是一类具有独特电子结构的二维材料，因其门控诱导的平带能够显著增强电子间的关联效应，成为研究强关联系统和新型超导态的重要平台。与传统超导材料相比，菱形堆叠多层石墨烯展现出高可调性、低维度效应以及丰富的自旋和谷自由度，这些优势使其在拓扑超导、量子

菱形堆叠多层石墨烯是一类具有独特电子结构的二维材料，因其门控诱导的平带能够显著增强电子间的关联效应，成为研究强关联系统和新型超导态的重要平台。与传统超导材料相比，菱形堆叠多层石墨烯展现出高可调性、低维度效应以及丰富的自旋和谷自由度，这些优势使其在拓扑超导、量子计算等领域具有巨大应用潜力。然而，传统超导材料中普遍缺乏的时间反演对称性自发破缺、谷极化及与之相关的奇异量子态在石墨烯体系中仍难以明确实现，这给新型手性超导态的探索带来了极大挑战。

成果简介

针对这一挑战，麻省理工巨龙课题组在Nature期刊上发表了题为“Signatures of chiral superconductivity in rhombohedral graphene”的最新论文。第一作者为路正光，韩同航，Zach Hadjri。

该团队制备了多台高品质的四层和五层石墨烯器件，利用门控调控实现了电子掺杂诱导的平带。通过精细的低温直流电输运测量，团队发现了两种非常规超导态，最高转变温度达300毫开尔文，并观测到了时间反演对称性自发破缺表现出的磁滞现象。

此外，这些超导态稳定存在于自旋和谷极化的四分之一金属态中，并且在零外磁场下观察到异常霍尔效应及磁滞特征，进一步证明了超导态的手性本质。特别地，超导态在垂直磁场下能承受高达1.4特斯拉的临界磁场，显示出接近BCS- BEC交叉区的强耦合特性。

该研究为纯碳材料体系中实现拓扑超导和马约拉纳费米子提供了新的实验平台，拓展了二维石墨烯超导研究的边界，推动了量子计算及相关量子材料的开发应用。通过调控平带结构及自旋谷极化状态，未来有望实现对高阶手性超导态的精准控制与应用。

研究亮点

（1）实验首次在无摩尔超晶格效应的菱形堆叠四层和五层石墨烯中，观察到了稳健的非常规超导态，最高转变温度达到300毫开尔文，载流子浓度最低可达2.4×10¹¹ cm⁻²，展示了纯碳材料中拓扑超导的可能性。

（2）实验通过门控调节实现了平带导带的电子掺杂，发现超导态表现出明显的时间反演对称性破缺（TRSB），具体表现为在垂直磁场下的电阻磁滞现象，这在其他超导体系中未曾观察到；超导态在自旋和谷完全极化的四分之一金属态中形成，且对平面磁场表现出强烈的鲁棒性；正常态中同时观察到零磁场下的反常霍尔效应与磁滞现象，进一步支持了谷极化和TRSB的存在。

（3）实验还揭示了超导态的临界垂直磁场高达1.4特斯拉，远高于此前石墨烯体系的超导临界场，表明该体系处于强耦合超导并接近BCS-BEC跨越区，具有非常紧凑的相干长度。

图文解读

图1. 菱形堆叠的四层石墨烯器件T3和平层石墨烯器件P1中展现出的平带超导性。

图2. 四层石墨烯器件T3中，邻近态所表现出的时间反演对称性破缺（TRSB）和谷极化特性。

图3. 平层石墨烯器件P1中超导态的自旋与谷极化行为。

图4. 四层石墨烯器件T3中温度依赖的反常霍尔效应及其相图边界。

图5. 接近BCS-BEC交叉区域的超导特性表现。

结论展望

本文的研究成果为拓扑超导和手性超导态的实验探索提供了全新的平台和思路。通过在无摩尔超晶格效应的菱形堆叠四层和五层石墨烯中实现非常规超导态，实验首次揭示了与时间反演对称性破缺和谷极化相关的独特物理现象，如磁滞效应和反常霍尔效应，这些是手性超导的重要标志。该体系展现出强耦合超导特性，且超导临界磁场远高于传统石墨烯超导，表明其处于BCS-BEC跨越区附近，推动了我们对强关联电子体系中超导机制的理解。

同时，实验结果为在纯碳材料中实现拓扑超导和马约拉纳零模的研究奠定了基础，开启了利用简单晶体结构探索非阿贝尔准粒子和拓扑量子计算的新方向。未来通过多种先进技术对超导态的轨道磁性、超导能隙对称性及边缘态进行深入探测，将进一步揭示其内在机理和潜在应用价值。综上，该研究不仅丰富了超导物理学的理论体系，也为实现基于拓扑保护的量子计算提供了重要的实验支撑和技术路径。

文献信息

Han, T., Lu, Z., Hadjri, Z. et al. Signatures of chiral superconductivity in rhombohedral graphene. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09169-7

来源：MS杨站长