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神奇超导体：科学家的新发现与困惑
新型超导体的突破性发现揭示电子结合的奇妙可能性，并激发未来科技的无限潜力。
今年，科学家在三种截然不同的材料中发现了超导性现象。两种现象挑战了传统理解，而第三种完全颠覆了已有理论。“这种超导性极其罕见，以前很多人会说这是不可能的，”哈佛大学物理学家Ashvin Vishwanath说。
自1911年荷兰科学家Heike Kamerlingh Onnes首次观察到电阻的消失以来，超导现象一直吸引着物理学家的目光。超导性要求电子以配对形式存在，而电子天性相斥，这种结合的机制成谜。
同时，超导性具备巨大的技术潜力。目前，它已用于MRI设备和粒子对撞机。如果科学家能理解其本质，或许可以在常温下制造出超导材料，进而实现无损电网或磁悬浮交通工具等颠覆性科技。
近年来的材料科学革命推动了超导现象的研究。今年发现的超导现象均出现在由原子薄片组装的设备中。这些二维材料能通过电场操控其表现，物理学家因此得以探索无数新组合。
“超导性似乎无处不在，”华盛顿大学物理学家Matthew Yankowitz表示。研究显示，不同材料可能通过多种方式促成电子配对，就像鸟类与昆虫能利用不同翅膀飞翔一样。
1957年，John Bardeen、Leon Cooper和John Robert Schrieffer提出的理论解释了低温金属的超导性。他们发现，低温使原子振动减弱，电子通过与晶格间的相互作用形成“库珀对”，从而实现无摩擦的电流传导。这一理论为三人赢得了1972年的诺贝尔物理学奖。
然而，1980年代的高温超导体挑战了该理论。物理学家猜测，某些材料的电子可能通过慢速移动产生的独特电场形成配对，但具体机制仍未完全揭示。
2018年，MIT物理学家Pablo Jarillo-Herrero的研究引发轰动。他发现，将两个石墨烯薄片以1.1度的“魔角”扭曲叠加，可以诱发超导性。这一发现开启了利用二维材料探索超导的新路径。
今年的突破之一来自哥伦比亚大学Cory Dean团队。他们通过改进设备，证实了在一种二维材料中观察到的超导现象。这一结果验证了此前的理论，标志着二维材料领域的一个重要里程碑。
与此同时，康奈尔大学的Jie Shan和Kin Fai Mak团队也取得突破。他们发现，通过电场调控，可以让一种二维材料在绝缘体和超导体间切换。这种现象与现有理论无法完全吻合。
即便在二维材料研究大热之际，石墨烯依然不断带来惊喜。今年，MIT的Long Ju团队在一种四层阶梯状石墨烯设备中发现了迄今最独特的超导现象。磁场不仅没有破坏超导性，反而加强了它。这一“偏手性”超导现象在理论上曾被认为不可能。
尽管二维材料中的超导机制尚未完全阐明，但研究人员确信，这些发现展示了多种可能的电子配对方式。二维设备的可调控性使科学家能快速验证超导的多种潜在路径。
“每个设备都是一个可调实验室，能模拟几乎任何材料，”Dean说。实验数据的积累有望让理论预测超导机制，并最终指导技术研发，为未来科技奠定基础。
目前，实验依然引领着研究前沿。正如Yankowitz所言，“六年过去了，根本没时间停下来。”
本文译自 Quanta Magazine，由 BALI 编辑发布。