六张薄如蝉翼的碳原子膜，叠在一起会发生什么？答案可能比你想象的热闹得多。
美国康奈尔大学、日本国立材料科学研究所和德国马克斯·普朗克物质结构与动力学研究所的研究人员，在一种六层石墨烯中发现了一连串奇特的量子态。
其中既有电阻凭空消失的超导态，也有一种罕见的多铁性轨道磁体。相关论文发表于国际物理学顶级期刊《自然·物理学》。
更出人意料的是，这一切的起点，竟是一次“计划之外”的意外。
一、一次计划外的堆叠，撞出意外惊喜
石墨烯是碳原子排成蜂窝状的单层薄片，自问世以来，便被誉为“材料之王”。
单层石墨烯已足够神奇，而把多层石墨烯以特定方式叠起来，又能变出全新的性质。
2018年，科学家发现两层石墨烯扭转一个“魔角”后会出现超导，从此掀起了一场“堆叠石墨烯”的研究热潮。
近年来，一种名为菱面体堆叠的结构格外受宠。它的各层石墨烯像台阶一样依次横向错开，形成重复的阶梯图案。
在这种结构中，电子的动能被大幅压制，彼此之间的相互作用便显得格外突出，各种奇异量子现象由此层出不穷。
过去几年，科学家已在四层、五层的菱面体石墨烯中相继发现了超导、反常量子霍尔效应等现象，这一体系被视为探索强关联物理的“明星平台”。
层数每增加一层，能带结构就会随之改变，电子的“性格”也可能大不相同。六层石墨烯，正是这条探索之路上尚待开垦的一块新地。
论文资深作者、康奈尔大学的刘晓萌坦言，这一发现有些出乎意料。团队起初想研究的是扭转的菱面体石墨烯，希望制造出孤立的拓扑能带。
谁知，在一个由两片三层石墨烯叠成的器件中，各层自行“松弛”重排，竟然变成了一块完整的菱面体六层石墨烯。
初步测量很快显示，这块材料表现出此前五层石墨烯研究中从未报告过的行为。团队索性将计就计，系统绘制了它的相图。
二、电子与空穴，在拥挤舞池里共舞
所谓相图，就像一张材料的“性格地图”，标明它在不同温度、电场、载流子浓度下会呈现怎样的状态。
研究人员把六层石墨烯夹在两层六方氮化硼绝缘层之间，上下再各加一层石墨栅极，组成一个精巧的“三明治”。
这样一来，他们就能像拧旋钮一样，独立调节材料中的载流子数量和垂直电场。
随后，团队在不同温度、磁场强度和载流子浓度下，反复测量电流穿过器件的难易程度。
刘晓萌解释说，电阻消失是超导的标志，异常的霍尔响应则透露出电子轨道运动产生的磁性。
他们还测量了电阻随磁场变化的量子振荡。借助这一“指纹”，研究人员重建了费米面，辨认出材料中究竟有哪些载流子在活动。
团队特别关注一种强关联的半金属状态。在这里，带负电的电子和相当于正电荷的空穴同时存在，并且频繁相互作用。
打个比方，这就像一个拥挤的舞池，两类舞者挤在一起，你推我搡，反而跳出了意想不到的集体舞步。
三、超导与磁性，竟是同一片土壤的果实
测量结果相当丰富。研究人员在器件中识别出由相互作用驱动的绝缘态、具有超导行为的区域，以及两种不同类型的轨道磁性。
其中两种类超导态，都出现在电子与空穴共存的条件下。这意味着，两类载流子可能都参与了超导的形成。
团队的核心发现，是在这种材料中找到了新的超导态和新的多铁性轨道磁体。
与常见磁铁依靠电子自旋不同，轨道磁性来自电子绕圈运动形成的微小电流，就像无数个微型电磁线圈在同时工作。
所谓多铁性，是指材料同时具备多种“铁性”秩序，例如既有磁性，又能被电场调控。这类材料有望让人们用电压直接控制磁性。
令人玩味的是，这两种性质截然不同的状态，竟生长在同一片强关联半金属区域。研究人员认为，电子与空穴之间的相互作用很可能是关键推手。
在传统认知中，超导与磁性常被视为“冤家”，磁性往往会破坏超导。能在一块材料里同时调出两者，本身就是理解电子关联的绝佳窗口。
当然，这些量子态目前只在极低温下出现，器件制备也高度依赖在石墨中“碰运气”式地寻找特定堆叠结构，距离实际应用还很遥远。
团队正在深入研究多铁性轨道磁态的微观起源。初步迹象显示，部分载流子可能凝结成电子晶体，另一部分则保持可导电的液态。
这种晶体能否产生轨道磁性，甚至形成所谓的拓扑电子固体，目前仍是悬而未决的问题。
对未来的电子技术而言，只靠电场就能切换超导与磁性的材料，可能孕育出更低能耗、更易调控的量子器件。
从一次计划外的堆叠到一张全新的相图，科学研究的惊喜常常藏在计划之外。
六层碳原子，一场意外的叠放，或许正为人类理解超导打开一扇新的侧门。
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