MIT bekræfter ukonventionel superledning i MATTG

Superledning opstår, når elektroner parres i stedet for at sprede sig, som de gør i normale ledere eller i almindelige materialer. Disse parrede elektroner kaldes “Cooper-par”, hvilket skaber en perfekt, modstandsfri strøm af elektrisk strøm.

Denne bemærkelsesværdige egenskab er observeret i superledere, når de afkøles under en specifik “kritisk temperatur.” Ud over at tillade en strøm at flyde uendeligt uden energitab, udviser disse materialer også en udvisning af magnetiske felter, hvilket muliggør levitation.

Mens konventionelle superledere, såsom dem lavet af aluminium, kræver meget lave temperaturer, arbejder forskere aktivt på at udvikle materialer, der kan blive superledende ved højere, mere praktiske temperaturer – et skridt, der kunne revolutionere energi- og kvanteteknologier.

Forskere ved MIT har nu opnået dette gennembrud. De har observeret et karakteristisk V‑formet energigab, som peger på ukonventionel superledning i magic-angle grafen, hvilket markerer et vigtigt skridt mod superledere ved stuetemperatur.

Magic-Angle Graphene & ‘Twistronics’: Hvordan Lagrotation Ændrer Fysikken

Siden opdagelsen af “magic-angle” grafen har den skabt stor opmærksomhed i den videnskabelige verden, hvor forskere har afdækket utallige eksotiske kvantefænomener, fra korrelerede isolerende tilstande og ukonventionel superledning til justerbar magnetisme og topologiske faser.

I 2018 skabte og observerede et team af fysikere ved MIT, ledet af Pablo Jarillo-Herrero, først effekterne af magic-angle grafen.

De opdagede usædvanlige elektroniske egenskaber, såsom superledning, når to grafenlag er stablet ved en meget specifik vinkel. Denne snoede struktur er kendt som magic-angle twisted bilayer graphene, eller MATBG.

Grafen er et enkelt lag af kulstof, kun én atomtykkelse tykt, og har et bikubestruktur. Arrangementet af kulstofatomer i et hexagonalt mønster ligner hønsefjer og udviser bemærkelsesværdig styrke, holdbarhed samt evnen til at lede varme og elektricitet.

Bilayer grafen er derimod en stak af to lag, hvor de to gitter er orienteret på en bestemt måde. 

I pristine bilayer grafen observerede Jarillo-Herrero og hans hold Mott‑isolatortilstand (et fænomen, hvor et materiale bliver isolator på grund af stærk elektron‑elektron frastødning, på trods af at det forventes at være leder), da de to lag blev snoet ved en magic vinkel.

Dette førte til udviklingen af “twistronics”, en lovende ny teknik til at justere grafens elektroniske egenskaber ved at rotere tilstødende lag af materialet. 

Metoden blev derefter brugt af et forskerteam fra MIT, Harvard University og NIMS i Japan til at gøre den snoede bilayer superledende ved at påføre et elektrisk felt.

Over tid har mange forskere undersøgt forskellige flerlagsgrafenstrukturer, som viste tegn på ukonventionel superledning.

I 2021 lykkedes det Harvard‑fysikere at stable tre lag af grafen og sno dem ved magic vinklen for at producere et tredobbelt system, der udviser robust superledning¹ ved højere temperaturer end mange dobbelt‑stablede grafensystemer. Systemet er følsomt over for et eksternt påført elektrisk felt, hvilket også gjorde det muligt for holdet at finjustere superledningen ved at justere feltets styrke.

Dette eksperiment hjalp forskere med at forstå, at trilagets superledning skyldes stærke elektron‑elektron interaktioner, som gør den mere modstandsdygtig over for højere temperaturer. 

Samme år rapporterede Princeton‑forskere en bemærkelsesværdig lighed mellem magic grafens superledning og den i højtemperatur‑superledere.²

Ved brug af et scanning tunneling mikroskop (STM) fandt de, at parrede elektroner har et endeligt vinkelmoment. Den anden undersøgte, hvordan adfærden af et superledende materiale ændres, når den superledende tilstand slukkes ved at øge temperaturen eller påføre et magnetisk felt. Mens elektroner adskilles i konventionelle superledere, bevares en vis korrelation i ukonventionelle.

MIT Baner Vejen til Superledere ved Rumtemperatur

Evnen hos superledere til at lede elektricitet uden modstand gør dem centrale for teknologier som MR‑scannere, energioverførsel og -lagring, avanceret computing og partikelacceleratorer.

Men konventionelle superledere fungerer kun ved meget lave temperaturer. Derfor skal de holdes i specialiserede kølesystemer for at opretholde deres superledende tilstand.

Hvis disse materialer kunne blive superledende ved højere, mere tilgængelige temperaturer, kunne de omdefinere teknologiske systemer globalt. Med dette mål undersøger forskere ved MIT ukonventionelle superledere, som afviger fra traditionel opførsel.

For nylig observerede MIT‑fysikere dette fænomen i “magic-angle” twisted tri‑layer grafen (MATTG), hvilket giver direkte bekræftelse på, at MATTG kan huse ukonventionel superledning³.

Som Jeong Min Park, medforfatter af undersøgelsen, bemærkede, er elektronerne i ‘Cooper‑par’ i konventionelle superledere meget langt fra hinanden og svagt bundet, i modsætning til i magic‑angle grafen, hvor “vi allerede kunne se tegn på, at disse par er meget tæt bundet, næsten som et molekyle. Der var antydninger om, at der var noget meget anderledes ved dette materiale.”

Selvom tidligere studier gav spor, var det ikke præcist bekræftet. Som studiet bemærkede, har forståelsen af superledningens natur i magic‑angle grafen været udfordrende, hvor den største vanskelighed har været at skelne superledningsgabet.

MIT‑teamet lykkedes dog at måle MATTG’s superledningsgab, hvilket afslørede styrken af dens superledende tilstand ved forskellige temperaturer. De fandt, at gabet i MATTG var helt anderledes end i konventionelle superledere, hvilket antyder, at MATTG’s overgang til superledning afhænger af en usædvanlig mekanisme.

Swipe to scroll →

Som studiets medforfatter, Shuwen Sun, en ph.d.-studerende i MIT’s fysikafdeling, bemærkede, er der ikke kun én, men mange forskellige mekanismer, der kan føre til superledning i materialer, og det er superledningsgabet, der giver et hint om, hvilken specifik mekanisme der kan føre til superledere ved stuetemperatur og revolutionere energi og teknologi.

“Når et materiale bliver superledende, bevæger elektroner sig sammen som par i stedet for individuelt, og der er et energigab, der afspejler, hvordan de er bundet. Formen og symmetrien af dette gab fortæller os den underliggende natur af superledningen.”

– Park

For at bevise deres opdagelse af en ukonventionel mekanisme brugte holdet et nyt eksperimentelt system, der gør det muligt at observere direkte, hvordan superledningsgabet dannes i todimensionale (2D) materialer.

Til dette benyttede forskerne tunneling‑spektroskopi. I denne kvante‑skala teknik opfører elektroner sig både som bølger og som partikler, hvilket gør dem i stand til at “tunnele” gennem barrierer, der normalt ville stoppe dem. Ved at studere, hvor let elektroner kan tunnelere gennem et materiale, lærer forskerne, hvor stærkt de er bundet inden i det.

I dette tilfælde tunnelere holdet elektroner mellem to lag af MATTG for at måle dets superledende tilstand.

Denne metode alene beviser dog ikke altid et materiales superledning, hvilket gør direkte måling afgørende, men udfordrende. Så kombinerede holdet tunneling‑spektroskopi med elektriske transportmålinger, som sporer, hvordan strømmen bevæger sig gennem et materiale, mens modstanden monitoreres.

Holdet anvendte denne tilgang på MATTG og identificerede tydeligt det superledende tunneling‑gab, som kun fremkom, når materialet nåede nul modstand.

Ved at ændre temperatur og magnetisk felt viste dette gab en skarp V‑formet kurve i stedet for det glatte, flade mønster, der normalt ses i konventionelle superledere. Ifølge studiet forsvinder det unikke lav‑energi superledningsgab ved den kritiske temperatur og magnetiske felt.

Den karakteristiske form peger på en ny mekanisme, der ligger til grund for MATTG’s superledning, som, selvom den er ukendt, tydeligt viser, at materialet opfører sig anderledes end enhver konventionel superleder.

I de fleste superledere parrer elektroner sig på grund af vibrationer i det omgivende atomgitter, som skubber dem sammen. Men i MATTG, siger Park, kan parringen skyldes stærke elektroninteraktioner, hvilket betyder “elektronerne selv hjælper hinanden med at danne par, og danner en superledende tilstand med speciel symmetri.”

Den teknik, der gjorde det muligt for holdet at observere superledningsgabet direkte – kombinationen af tunneling‑spektroskopi og transportmålinger – vil nu blive brugt til at studere forskellige snoede og lagdelte materialer.

Med opsætningen, der gør det muligt for holdet at “identificere og studere de underliggende elektroniske strukturer af superledning og andre kvantefaser, mens de opstår, inden for samme prøve,” bemærkede Park, at “dette direkte overblik kan afsløre, hvordan elektroner parrer sig og konkurrerer med andre tilstande, og bane vejen for at designe og kontrollere nye superledere og kvantematerialer, som en dag kan drive mere effektive teknologier eller kvantecomputere.”

De vil også bruge opsætningen til at studere MATTG såvel som andre 2D‑materialer i større detaljer for at finde nye, lovende kandidater til avancerede teknologier.

“At forstå én ukonventionel superleder meget grundigt kan udløse vores forståelse af resten,” sagde studiets seniorforfatter, Jarillo‑Herrero, som er Cecil and Ida Green Professor of Physics ved MIT. “Denne forståelse kan vejlede designet af superledere, der fungerer ved stuetemperatur, for eksempel, hvilket er en slags den hellige gral for hele feltet.”

Den Rolle Kvantegeometri Har i at Gøre Elektroner Superfluidiske

Mens MIT’s seneste opdagelse i magic-angle trilayer grafen markerer et stort skridt mod forståelsen af ukonventionel superledning, hjælper komplementære studier også med at udfylde vigtige detaljer, såsom hvor let elektronstrenge kan flyde gennem disse materialer.

Det er kendt, at elektroner i superledende materialer bevæger sig uden friktion, men hvor let elektronstrenge kan flyde afhænger af faktorer som deres densitet. Begrebet “superfluid stivhed” beskriver, hvor modstandsdygtigt et superledende system er over for ændringer i strømmen af dets elektronstrenge, hvilket gør det til en vigtig indikator for superledning.

Tidligere i år målte fysikere ved MIT og Harvard University direkte superfluid stivhed i magic-angle grafen⁴ for bedre at forstå, hvordan materialet bliver superledende.

Med dette studie har målet været at identificere den mekanisme, der er ansvarlig for superledning i magic-angle grafen, som hovedsageligt bestemmes af kvantegeometri, eller den konceptuelle ‘form’ af kvantetilstande i et materiale.

Nu har teamet udviklet en ny eksperimentel teknik til direkte måling af superfluid stivhed, som også kan bruges til lignende målinger af andre 2D superledende materialer, hvor “der er en hel familie… der venter på at blive undersøgt.”

I materialer som MATBG kan parringen af elektroner, også kaldet Cooper‑par, danne en superfluid, hvilket betyder, at de kan bevæge sig gennem et materiale som en ubesværet strøm. Men selvom de har ingen modstand, kræves der stadig et skub i form af et elektrisk felt for at få strømmen til at bevæge sig.

“Superfluid stivhed refererer til, hvor let det er at få disse partikler til at bevæge sig for at drive superledning.”

– Studie medforfatter Joel Wang, forskningsforsker i MIT’s Research Laboratory of Electronics (RLE)

Denne superfluid stivhed måles normalt ved metoder, der placerer det superledende materiale i en mikrobølge resonator, en enhed der resonnerer ved mikrobølgefrekvenser. I en mikrobølge resonator ændrer materialet både resonansfrekvensen og den kinetiske induktans i forhold til sin superfluid stivhed.

Men disse teknikker har kun været kompatible med prøver, der er 10 til 100 gange større og tykkere end MATBG, hvilket betyder, at en ny tilgang er nødvendig for at måle superfluid stivhed i atomisk tynde superledere.

Nu er udfordringen med at gøre dette med et yderst delikat materiale som MATBG at fastgøre det til mikrobølge resonatorens overflade uden at forstyrre dets glathed. Det betyder at lave “en ideelt tabsfri – dvs. superledende – kontakt mellem de to materialer,” ellers vil mikrobølgesignalet blive forringet eller blot reflekteres tilbage.

Så samlede holdet først MATBG ved hjælp af standard fremstillingsteknikker og indkapslede det derefter mellem to isolerende lag af hexagonal boron nitride for at bevare dets delikate atomstruktur og indre egenskaber.

Resonatoren bestod hovedsageligt af aluminium, med en lille mængde MATBG tilføjet i enden. For at kontakte MATBG, ætset holdet den meget skarpt, så en side af den nyklippede MATBG blev eksponeret, hvortil aluminium blev deponeret for at “lave en god kontakt og danne en aluminiumledning,” som blev forbundet til den større aluminium mikrobølge resonator.

Holdet sendte et mikrobølgesignal gennem denne resonator, målte den resulterende forskydning i resonansfrekvensen og udledte MATBG’s kinetiske induktans. Ved at omregne den målte induktans til en værdi for superfluid stivhed fandt holdet, at den var meget større end hvad konventionelle superledningsteorier ville have forudsagt.

“Vi så en ti‑fold stigning i superfluid stivhed sammenlignet med konventionelle forventninger, med en temperaturafhængighed, der er i overensstemmelse med hvad teorien om kvantegeometri forudsiger,” sagde medforfatter Miuko Tanaka. “Dette var et ‘smoking gun’, der pegede på kvantegeometriens rolle i at styre superfluid stivhed i dette todimensionale materiale.”

Investering i Superledende Teknologi

American Superconductor Corporation (AMSC ) er et energiteknologiselskab, der fremstiller avancerede superledersystemer. Det fokuserer på at kommercialisere eksisterende superledningsteknologier og anvende dem i virkelige elnet- og marineapplikationer.

AMSC er en førende leverandør af megawatt‑skala kraftresiliensløsninger, herunder Gridtec, Marinetec og Windtec.

Gennem disse løsninger leverer virksomheden avancerede netværkssystemer til at optimere netværksydelse, effektivitet og pålidelighed, fremdrifts‑ og energistyringsløsninger for at forbedre energikvalitet og driftsikkerhed samt elektroniske kontrolsystemer til vindmøller.

AMSC er et selskab med en markedsværdi på 1,66 milliarder dollars, hvis aktier, på tidspunktet for skrivning, handles til $36,97, op 49,86 % år‑til‑dato. Allerede sidste måned nåede aktiekursen et topniveau på $70,49, men er siden faldet betydeligt. Dette massive fald på 47,5 % på mindre end en måned skyldes, at AMSC missede Wall Street‑salgsmål.

I sidste uge rapporterede virksomheden sin anden kvartals indtægt for regnskabsåret 2025, som steg fra $54,5 millioner i 2Q23 til $65,9 millioner. Dens nettoresultat var $4,8 millioner, eller $0,11 per aktie. Pr. 30. september 2025 havde AMSC $218,8 millioner i kontanter, kontantekvivalenter og begrænsede kontanter, sammenlignet med $85,4 millioner ved udgangen af marts.

Om den 20 % årlige vækst i omsætning, bruttoavance over 30 % og generering af næsten $5 millioner i nettoresultat, hvilket markerer femte kvartal i træk med profitabilitet, sagde administrerende direktør Daniel P. McGahn, at dette blev drevet af “stærk efterspørgsel på ordrer på tværs af energi‑ og militærmarkeder, understøttet af medvind i indenlandsk produktion og pålidelige energibehov på tværs af nøglesektorer.”

For tredje kvartal forventer AMSC en omsætning på mellem $65 millioner og $70 millioner og et nettoresultat på over $2 millioner, eller $0,05 per aktie.

Seneste Aktiemeddelelser om American Superconductor Corporation (AMSC)

Konklusion

Superledning er et af de mest transformerende begreber i moderne fysik, med stor indflydelse på energieffektivitet, computing og materialvidenskab. MIT‑holdets arbejde med magic-angle twisted trilayer grafen (MATTG) udgør et vigtigt skridt i at afdække, hvordan superledning kan opstå gennem ukonventionelle mekanismer.

Disse fund kan også hjælpe os med at udvikle materialer, der opnår superledning ved stuetemperatur, den længe søgte “hellige gral.” Hvis de realiseres, kunne sådanne materialer revolutionere alt fra elektrisk transport til datacentre og kvantecomputere og bringe en ny æra af teknologisk mulighed.

Referencer

1. Hao, Z., Zimmerman, A. M., Ledwith, P., Khalaf, E., Haie Najafabadi, D., Watanabe, K., Taniguchi, T., Vishwanath, A. & Kim, P. Electric-field-tunable superconductivity in alternating-twist magic-angle trilayer graphene. Science 371, 1133–1138 (2021). https://doi.org/10.1126/science.abg0399
2. Oh, M., Nuckolls, K. P., Wong, D., Lee, R. L., Liu, X., Watanabe, K., Taniguchi, T. & Yazdani, A. Evidence for unconventional superconductivity in twisted bilayer graphene. Nature 600, 240–245 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04121-x
3. Park, J. M., Sun, S., Watanabe, K., Taniguchi, T. & Jarillo-Herrero, P. Experimental evidence for nodal superconducting gap in moiré graphene. Science (2025). https://doi.org/10.1126/science.adv8376
4. Tanaka, M., Wang, J.έ-j., Dinh, T. H., Rodan-Legrain, D., Zaman, S., Hays, M., Almanakly, A., Kannan, B., Kim, D. K., Niedzielski, B. M., Serniak, K., Schwartz, M. E., Watanabe, K., Taniguchi, T., Orlando, T. P., Gustavsson, S., Grover, J. A., Jarillo-Herrero, P. & Oliver, W. D. Superfluid stiffness of magic-angle twisted bilayer graphene. Nature 638, 99–105 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08494-7