Magneter och supraledare passar ihop som olja och vatten – eller så har forskarna trott. Men en ny upptäckt av fysiker vid MIT utmanar denna hundraåriga uppfattning.
I en artikel som publicerats i tidskriften Nature rapporterar fysikerna att de har upptäckt en ”kiral supraledare” – ett material som leder elektricitet utan motstånd och som paradoxalt nog också är magnetiskt. Dessutom har de observerat denna exotiska supraledning i ett överraskande vanligt material: grafit, det primära materialet i blyertsstift.
Grafit består av många lager grafen – atomärt tunna, gitterliknande skikt av kolatomer – som är staplade på varandra och lätt flagnar när de utsätts för tryck, till exempel när man trycker ner en blyertsstift på ett papper. En enda flinga av grafit kan innehålla flera miljoner skikt av grafen, som normalt är staplade så att vartannat skikt ligger i linje med varandra. Men ibland innehåller grafit små fickor där grafen är staplad i ett annat mönster, som liknar en trappa med förskjutna skikt.
MIT-teamet har upptäckt att när fyra eller fem skikt av grafen staplas i denna ”romboedriska” konfiguration kan den resulterande strukturen uppvisa exceptionella elektroniska egenskaper som inte finns i grafit som helhet.
I sin nya studie isolerade fysikerna mikroskopiska flingor av romboedriskt grafen från grafit och utsatte flingorna för en rad elektriska tester. De fann att när flingorna kyls till 300 millikelvin (cirka -273 grader Celsius) förvandlas materialet till en superledare, vilket innebär att all elektrisk ström som passerar genom materialet kan flöda utan motstånd.
De fann också att när de svepte ett externt magnetfält upp och ner kunde flingorna växla mellan två olika supraledande tillstånd, precis som en magnet. Detta tyder på att supraledaren har någon form av inre, inneboende magnetism. Ett sådant växlingsbeteende saknas i andra supraledare.
”Den allmänna uppfattningen är att supraledare inte gillar magnetfält”, säger Long Ju, biträdande professor i fysik vid MIT. ”Men vi tror att detta är den första observationen av en supraledare som beter sig som en magnet med så direkta och enkla bevis. Och det är ganska bisarrt eftersom det strider mot människors allmänna uppfattning om supraledning och magnetism.”
Ju är seniorförfattare till studien, som inkluderar medförfattarna Tonghang Han, Zhengguang Lu, Zach Hadjri, Lihan Shi, Zhenghan Wu, Wei Xu, Yuxuan Yao, Jixiang Yang, Junseok Seo, Shenyong Ye, Muyang Zhou och Liang Fu från MIT, tillsammans med medarbetare från Florida State University, Universitetet i Basel i Schweiz och National Institute for Materials Science i Japan.
Grafenvridning
I vanliga ledande material flödar elektroner i en kaotisk rörelse, susar förbi varandra och studsar mot materialets atomgitter. Varje gång en elektron studsar mot en atom möter den i princip ett visst motstånd och förlorar därmed energi, normalt i form av värme. När vissa material kyls ned till extremt låga temperaturer kan de däremot bli supraledande, vilket innebär att materialet kan låta elektroner para ihop sig, i vad fysiker kallar ”Cooper-par”.
I stället för att spridas glider dessa elektronpar genom materialet utan motstånd. Med en supraledare går alltså ingen energi förlorad vid överföringen.
Sedan supraledning först observerades 1911 har fysiker många gånger visat att noll elektrisk resistans är ett kännetecken för en supraledare. En annan avgörande egenskap observerades först 1933, när fysikern Walther Meissner upptäckte att en supraledare stöter bort ett yttre magnetfält. Denna ”Meissner-effekt” beror delvis på superledarens elektronpar, som tillsammans verkar för att stöta bort alla magnetfält.
Fysiker har antagit att alla superledande material bör uppvisa både noll elektrisk resistans och en naturlig magnetisk repulsion. Det är just dessa två egenskaper som skulle kunna möjliggöra magnetiska svävande tåg (Maglev), där en superledande skena stöter bort och därmed får en magnetiserad vagn att sväva.
Ju och hans kollegor hade ingen anledning att ifrågasätta detta antagande när de genomförde sina experiment vid MIT. Under de senaste åren har teamet undersökt de elektriska egenskaperna hos femskiktat romboedriskt grafen. Forskarna har observerat överraskande egenskaper i den femskiktade, trappstegsliknande grafenstrukturen; senast att den gör det möjligt för elektroner att delas upp i fraktioner av sig själva. Detta fenomen uppstår när den femskiktiga strukturen placeras ovanpå ett ark hexagonalt bornitrid (ett material som liknar grafen) och förskjuts något i en specifik vinkel, eller vridning.
Nyfiken på hur elektronfraktionerna skulle förändras med förändrade förhållanden följde forskarna upp sin initiala upptäckt med liknande tester, denna gång genom att feljustera grafen- och hexagonala bornitridstrukturerna. Till sin förvåning upptäckte de att när de förskjutit de två materialen och skickat en elektrisk ström genom dem, vid temperaturer under 300 millikelvin, mätte de noll motstånd. Det verkade som om fenomenet med elektronfraktioner försvann och istället uppstod supraledning.
Forskarna gick ett steg längre för att se hur detta nya supraledande tillstånd skulle reagera på ett yttre magnetfält. De applicerade en magnet på materialet tillsammans med en spänning och mätte den elektriska ström som kom ut ur materialet. När de ändrade magnetfältet från negativt till positivt (liknande nord- och sydpolen) och tillbaka igen, observerade de att materialet behöll sitt superledande, nollmotståndstillstånd, förutom i två fall, en gång vid vardera magnetpolen.
I dessa fall steg motståndet kortvarigt, innan det återgick till noll och återgick till ett supraledande tillstånd.
”Om detta var en konventionell supraledare skulle den bara förbli vid nollmotstånd tills magnetfältet nådde en kritisk punkt där supraledningen skulle upphöra”, säger Zach Hadjri, en förstaårsstudent i gruppen. ”Istället verkar detta material växla mellan två superledande tillstånd, som en magnet som börjar peka uppåt och kan vända nedåt när man applicerar ett magnetfält. Det ser alltså ut som en superledare som också fungerar som en magnet, vilket inte är logiskt.”
”Unikt”
Hur kontraintuitivt upptäckten än kan verka, observerade teamet samma fenomen i sex liknande prover. De misstänker att den unika konfigurationen av romboedriskt grafen är nyckeln. Materialet har en mycket enkel struktur av kolatomer. När det kyls till extremt låga temperaturer minimeras den termiska fluktuationen, vilket gör att elektroner som flödar genom materialet saktar ner, känner av varandra och interagerar.
Sådana kvantinteraktioner kan leda till att elektroner parar ihop sig och blir supraledande. Dessa interaktioner kan också uppmuntra elektroner att samordna sig. Elektroner kan nämligen kollektivt uppta ett av två motsatta momentumtillstånd, eller ”dalar”. När alla elektroner befinner sig i en dal snurrar de effektivt i en riktning, motsatt den motsatta riktningen. I konventionella supraledare kan elektroner uppta vilken dal som helst, och varje elektronpar består vanligtvis av elektroner från motsatta dalar som tar ut varandra. Paret har då totalt noll momentum och snurrar inte.
I teamets materialstruktur misstänker de dock att alla elektroner interagerar så att de delar samma dal, eller momentumtillstånd. När elektronerna sedan parar ihop sig har det supraledande paret totalt sett ett momentum som är ”olika noll” och snurrar, vilket tillsammans med många andra par kan resultera i en intern, supraledande magnetism.
”Man kan tänka sig att de två elektronerna i ett par snurrar medurs eller moturs, vilket motsvarar en magnet som pekar uppåt eller nedåt”, förklarar Tonghang Han, en femteårsstudent i gruppen. ”Vi tror därför att detta är den första observationen av en superledare som beter sig som en magnet på grund av elektronernas banrörelse, vilket kallas en kiral superledare. Det är något helt unikt. Det är också en kandidat för en topologisk supraledare, som skulle kunna möjliggöra robust kvantberäkning.”
”Allt vi har upptäckt i detta material har varit helt oväntat”, säger Zhengguang Lu, tidigare postdoktor i gruppen och nu biträdande professor vid Florida State University. ”Men eftersom det är ett enkelt system tror vi att vi har goda chanser att förstå vad som pågår och att vi kan demonstrera några mycket djupgående och grundläggande fysikaliska principer.”
”Det är verkligen anmärkningsvärt att en så exotisk kiral superledare uppstår från så enkla ingredienser”, tillägger Liang Fu, professor i fysik vid MIT. ”Superledning i rombisk grafen kommer säkert att ha mycket att erbjuda.”
Mer information: Tonghang Han et al, Signatures of chiral superconductivity in rhombohedral graphene, Nature (2025). DOI: 10.1038/s41586-025-09169-7. På arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2408.15233
Denna artikel publiceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som rapporterar om forskning, innovation och undervisning vid MIT.
