引言

一度被称为“魔角革命（the magic-angle revolution）”的突破让石墨烯成为二维材料中的“超导奇才”。但科学家现在告诉我们：不靠 magic，超导依然可以实现。

最近以加州理工沃森实验室为主的科研团队以伯纳尔叠层石墨烯（BLG）为核心，紧密贴合二硒化钨（WSe₂），通过精确控制二者之间的扭转角（twist angle），实现了对石墨烯中诱导Ising型自旋-轨道耦合（SOC）的“编程式调控”，进而在没有莫尔超晶格（无需魔角）的条件下，引发了一系列强关联系统的自发对称性破缺现象——尤其是超导性的出现和变化。

第一章 什么是“magic angle”？为什么它一度代表超导的奇迹？

2018年，当研究人员在两个石墨烯片之间旋转出一个特定的角度——约1.1°时，电子行为突然变得异常：导电性陡变、能带变平、强关联效应迸发，甚至出现了超导。这一角度因此被称为“魔角（magic angle）”。

魔角的奇妙源自它与莫尔超晶格（moiré superlattice）的配合——两个蜂窝晶格的错位形成周期性干涉图案，改变了电子能带结构。这一结构不仅造就了所谓“魔角双层石墨烯”，还带出了莫特绝缘体、铁磁性、非常规超导等一系列的广东会现象，掀起了二维材料研究的热潮。

第二章 不靠“magic”的超导，是怎么实现的？

在这项最新研究中，研究团队并没有使用传统的莫尔结构或魔角旋转。他们采用的是一种更为简洁却精准的策略：

将伯纳尔叠层石墨烯（BLG）与具有强自旋–轨道耦合（SOC）的二硒化钨（WSe₂）贴合；

通过细微调整两者之间的扭转角度（从0°到30°），实现对石墨烯中诱导Ising SOC（|λ₁|）的“编程式调控”。

最终在没有莫尔结构形成的情况下，观察到三种不同类型的超导态。

图1 通过改变石墨烯（BLG）与 WSe₂ 之间的扭转角，实现对 Ising 型SOC强度的可编程调控，以及其对能带结构与费米面特性的影响。a. 石墨烯与 WSe₂ 界面的扭转结构示意图。b. 实验中制备的 6 个器件的光学显微图像，分别具有约 0° 至 30° 的不同扭转角。c–d. BLG 在强 SOC（λ₁≈ 1.6 meV）与弱 SOC（λ₁≈ 0.4 meV）条件下的能带结构。e. Ising SOC 强度 λ₁ 随扭转角 θ 的变化趋势。f–g. 在固定位移场 D = 0.2 V/nm 下测量的横向电阻 R_xx 随垂直磁场 B_⊥ 与掺杂浓度 n 的变化。不同 SOC 条件下，广东会振荡行为不同。h–i. 对应的 Shubnikov–de Haas 振荡进行傅里叶变换后显示：强 SOC（h）下的频率分裂更明显，反映出SOC引起的费米面不对称性更大。

第三章 三种超导态，三条故事线

实验中，研究团队观察到三个彼此独立、起源不同的超导区域，分别被称为 SC1、SC2 和 SC3。每一个都具有不同的临界温度、对称性破缺方式以及对磁场的响应特征。它们就像三位性格不同的“超导候选人”：

1.SC1：低温、脆弱、受磁场影响大

对应六个电子口袋中“2大4小”的费米面结构：FP(2,6)；

临界温度（T_c）约为 60 mK；

磁场较敏感，容易被磁场破坏。

2.SC2：中间派，兼具稳固与多样性

出现在对称态FP(2,2,2) 与重分布态FP(2,4)之间；

临界温度高达 500 mK，是迄今为止在晶体石墨烯中记录到的最高 T_c；

展示出电子多体态在不同 flavor 对称性下的稳定性，可能是最容易调控的一种。

3.SC3：异类，强磁场下照样超导

来自谷间相干（inter-valley coherence）态，费米面为 FP(1,3,1)；

特点是几乎完全无视磁场的破坏，保利极限违反因子（PVR）高达 40；

意味着石墨烯中的超导体可能具有非平庸的自旋、轨道和谷间结构，是未来探索拓扑超导和马约拉纳模的重要候选。

图2 在强自旋–轨道耦合（∣λ₁∣ ≈ 1.5 meV）条件下，石墨烯–WSe₂ 异质结构中三种超导区域（SC1、SC2、SC3）在电子密度与位移场空间中的演化路径及其对应的费米面结构。

第四章 Ising SOC：新一代调控旋钮

在二维材料中，“自旋–轨道耦合”能为电子注入内禀的“自旋记忆”能力。特别是Ising型 SOC，可让电子的自旋方向牢牢锁定在垂直于材料平面方向，从而大大增强其对外磁场的抗扰性。

这项研究展示了：

SOC 强度与临界温度正相关：SOC 越强，系统需要更大的外加位移场（D field）才能进入超导态，但一旦进入，其临界温度也更高；

SOC 改变超导相的结构：不同 SOC 下，电子填充的能带数量与大小发生剧烈变化，导致费米面的分布、对称性甚至配对方式都可能改变；

SOC 诱导出新的配对机制：尤其是在 FP(1,3,1) 态中，传统的 s-wave 配对机制无法解释其行为，暗示着谷间相干和时间反演对称性破缺等新的超导机制正在发挥作用。

第五章 不靠 “magic”，也能精准调控石墨烯中的超导性

这项研究的重要意义在于，它提出并验证了一种全新的二维材料调控方式：

无需构造莫尔超晶格（无需魔角），即可稳定调控超导性；

自旋–轨道耦合成为新“旋钮”，为控制拓扑态、谷极化态提供新工具；

高保利极限超导态可能为强磁场下的拓扑广东会器件提供候选材料；

“twistronics + spintronics”的融合，或成为未来二维材料调控的通用策略。

终章 “魔法”消退，物理仍在继续

这项工作展示的“扭转可编程超导”不仅适用于石墨烯–WSe₂，也可以推广至其他 van der Waals 材料组合，例如磁性材料、拓扑绝缘体或电荷密度波材料等。通过角度控制实现电子态编程，正逐步成为二维广东会材料研究的一个前沿趋势。

就像曾经的“magic- angle”打开了强关联物理的大门，如今，“non-magic-angle”的可编程 SOC 扭转工程也为新型超导、广东会信息材料提供了更大的实验自由度与理论探索空间。

参考文献：

Zhang, Y. et al. Twist-programmable superconductivity in spin–orbit-coupled bilayer graphene. Nature 641, 625–631 (2025).

DOI: 10.1038/s41586-025-08959-3

撰稿｜姜怡宁    

指导｜刘玉龙