Forskare från RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS) och medarbetare har upptäckt ett nytt sätt att kontrollera supraledning – ett fenomen som är avgörande för att utveckla mer energieffektiva tekniker och kvantdatorer – genom att helt enkelt vrida atomärt tunna lager i en skiktad enhet.
Genom att justera vridningsvinkeln kunde de finjustera det ”supraledande gapet”, som spelar en nyckelroll i beteendet hos dessa material. Forskningen publiceras i Nature Physics.
Det supraledande gapet är den energitröskel som krävs för att bryta isär Cooper-par – bundna elektronpar som möjliggör supraledning vid låga temperaturer. Med ett större gap kan supraledning kvarstå vid högre, mer tillgängliga temperaturer, och att ställa in gapet är också viktigt för att optimera Cooper-parens beteende på nanoskalan, vilket bidrar till den höga funktionaliteten hos kvantapparater.
Hittills har försöken att kontrollera det supraledande gapet till stor del fokuserat på ”real space”, i partiklarnas fysiska position. Att uppnå kontroll i momentumrymden – en annan kartläggning som visar systemets energitillstånd – har dock förblivit svårfångat. Att finjustera gapet i momentumrymden är avgörande för nästa generations supraledare och kvantapparater.
I ett försök att uppnå detta började gruppen arbeta med ultratunna lager av niobdiselenid, en välkänd supraledare, som deponerats på ett grafensubstrat. Med hjälp av avancerad bildbehandling och tillverkningstekniker, som spektroskopisk bildbehandling, sveptunnelmikroskopi och molekylär strålningsepitaxi, justerade de exakt skiktens vridningsvinkel.
Denna modifiering gav mätbara förändringar i det supraledande gapet inom momentumrymden och öppnade upp för en ny ”ratt” för att exakt ställa in supraledande egenskaper.
Enligt Masahiro Naritsuka från CEMS, som är försteförfattare till artikeln, ”visar våra resultat att vridning ger en exakt kontrollmekanism för supraledning genom att selektivt undertrycka det supraledande gapet i riktade momentumområden.
”En överraskande upptäckt var uppkomsten av blomliknande modulationsmönster i det supraledande gapet som inte ligger i linje med de kristallografiska axlarna i något av materialen. Detta understryker den unika roll som vridning har för att forma supraledande egenskaper.”
Tetsuo Hanaguri från CEMS, den sista författaren, tillade: ”På kort sikt fördjupar vår forskning förståelsen av supraledande system och interaktioner mellan skikten, vilket främjar utformningen av supraledare med skräddarsydda egenskaper. På lång sikt lägger den grunden för att utveckla energieffektiva tekniker, kvantdatorer och mycket mer.
”Nästa steg är att undersöka om magnetiska lager kan integreras i strukturen för att möjliggöra både spinn- och momentumselektivitet. Dessa framsteg skulle kunna öppna upp för nya forskningsmöjligheter och bana väg för utveckling av innovativa material och enheter.”
För mer information: Masahiro Naritsuka et al, Superconductivity controlled by twist angle in monolayer NbSe2 on graphene, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02828-6
