MIT bekräftar okonventionell supraledning i MATTG

Supraledning uppstår när elektroner parar ihop sig, snarare än att spridas åt olika håll som de gör i vanliga ledare eller i vardagliga material. Dessa parade elektroner kallas ”Cooper pairs,” vilket skapar ett perfekt, motståndsfritt flöde av ström.

Denna anmärkningsvärda egenskap är observerad i supraledare när de kyls under en specifik ”kritisk temperatur”. Förutom att möjliggöra ett strömflöde på obestämd tid utan energiförlust, fördriver dessa material även magnetfält, vilket gör att de kan sväva.

Medan konventionella supraledare, såsom de som är gjorda av aluminium, kräver mycket låga temperaturer, arbetar forskare aktivt med att utveckla material som kan bli supraledande vid högre, mer praktiska temperaturer, ett steg som kan revolutionera energi- och kvantteknologier.

Forskare vid MIT har nu uppnått detta genombrott. De har observerat ett distinkt V‑format energigap, vilket pekar på okonventionell supraledning i magic‑angle‑grafen, vilket markerar ett viktigt framsteg mot rumstemperatur‑supraledare.

Magic‑Angle‑grafen & ‘Twistronics’: Hur lagerrotation förändrar fysiken

Sedan upptäckten av ”magic-angle” grafen har den skapat mycket uppståndelse i den vetenskapliga världen, där forskare avslöjar en mängd exotiska kvantfenomen, från korrelerade isolerande tillstånd och okonventionell supraledning till justerbar magnetism och topologiska faser.

År 2018 skapade ett team av fysiker vid MIT, lett av Pablo Jarillo‑Herrero, först effekterna av magic‑angle‑grafen och observerade dem.

De upptäckte ovanliga elektroniska egenskaper, såsom supraledning, när två grafenlager staplas i en mycket specifik vinkel. Den vridna strukturen är känd som magic‑angle twisted bilayer graphene, eller MATBG.

Grafen är ett enda lager kol, bara en atom tjockt och har ett bikaksrutnät. Arrangemanget av kolatomer i ett hexagonalt mönster liknar hönsgaller och uppvisar en anmärkningsvärd styrka, hållbarhet samt förmågan att leda värme och elektricitet.

Bilayer‑grafen är under tiden en stapel av två lager där de två gitterna är orienterade på ett särskilt sätt. 

I ren bilayer‑grafen observerade Jarillo‑Herrero och hans team Mott‑isolatorbeteende (ett fenomen där ett material blir isolator på grund av stark elektron‑elektron‑repulsion, trots att det förväntas vara en ledare) när de två lagren vrids i en magic‑vinkel.

Detta ledde till utvecklingen av ”twistronics”, en lovande ny teknik för att justera grafens elektroniska egenskaper genom att rotera intilliggande lager av materialet. 

Metoden användes av ett forskarteam från MIT, Harvard University och NIMS i Japan för att göra det vridna bilagret supraledande genom att applicera ett elektriskt fält.

Med tiden undersökte många forskare olika flerskikts‑grafenstrukturer, vilka visade tecken på okonventionell supraledning.

År 2021 lyckades fysiker vid Harvard stapla tre lager av grafen och vrida dem i magic‑vinkeln för att skapa ett tredimensionellt system som uppvisar robust supraledning¹ vid högre temperaturer än många dubbelt staplade grafensystem. Eftersom det är känsligt för ett externt applicerat elektriskt fält, gjorde det också teamet möjligt att finjustera supraledning genom att justera fältets styrka.

Detta experiment hjälpte forskare att förstå att trilagerstrukturens supraledning beror på starka elektron‑elektron‑interaktioner, vilket gör den mer motståndskraftig mot högre temperaturer. 

Samma år rapporterade forskare vid Princeton en märklig likhet² mellan magic‑grafens supraledning och den hos högtemperatur‑supraledare.

Med hjälp av en scanning tunneling microscope (STM) fann de att parade elektroner har ett ändligt vinkelmoment. Den andra undersökte hur beteendet hos ett supraledande material förändras när det supraledande tillståndet släcks genom att öka temperaturen eller applicera ett magnetfält. Medan elektroner separeras i konventionella supraledare, behåller vissa korrelationer sig fortfarande i okonventionella.

MIT banar väg till rumstemperatur‑supraledare

Supraledarnas förmåga att leda elektricitet utan motstånd gör dem centrala för teknologier som MR‑skannrar, kraftöverföring och lagring, avancerad databehandling och partikelacceleratorer.

Men konventionella supraledare fungerar endast vid mycket kalla temperaturer. Därför måste de hållas i specialiserade kylsystem för att hjälpa dem att upprätthålla sitt supraledande tillstånd.

Om dessa material kunde bli supraledande vid högre, mer tillgängliga temperaturer, skulle de kunna omdefiniera tekniska system världen över. Med detta mål undersöker forskare vid MIT okonventionella supraledare som avviker från traditionellt beteende.

Nyligen observerade MIT‑fysiker detta fenomen i ”magic-angle” twisted trilager‑grafen (MATTG), vilket ger direkt bekräftelse på att MATTG kan hysa okonventionell supraledning³.

Som Jeong Min Park, medförfattare till studien, påpekade, i konventionella supraledare är elektronerna i ’Cooper‑par’ mycket långt ifrån varandra och svagt bundna, till skillnad från i magic‑angle‑grafen, där ”vi redan kunde se tecken på att dessa par är mycket tätt bundna, nästan som en molekyl. Det fanns antydningar om att det var något mycket annorlunda med detta material.”

Medan tidigare studier gav ledtrådar, var det inte exakt bekräftat. Som studien noterade har förståelsen av supraledningens natur i magic‑angle‑grafen varit utmanande, med huvudsvårigheten att urskilja supraledningsgapet.

MIT‑teamet lyckades dock mäta MATTG:s supraledningsgap, vilket avslöjade styrkan i dess supraledande tillstånd vid olika temperaturer. Vad de fann var ett gap i MATTG som var helt annorlunda än i konventionella supraledare, vilket tyder på att MATTG:s övergång till supraledning beror på en ovanlig mekanism.
Swipe to scroll →

Som studiens medförfattare, Shuwen Sun, en doktorand vid MIT:s fysikavdelning, påpekade, finns det inte bara en utan många olika mekanismer som kan leda till supraledning i material, och det är supraledningsgapet som ger en ledtråd om vilken specifik mekanism som kan leda till rumstemperatur‑supraledare som kan revolutionera energi och teknik.

“När ett material blir supraledande rör sig elektroner tillsammans som par snarare än individuellt, och det finns ett energigap som speglar hur de är bundna. Formen och symmetrin hos det gapet berättar för oss den underliggande naturen av supraledningen.”

– Park

För att bevisa deras upptäckt av en okonventionell mekanism använde teamet ett nytt experimentellt system som låter dem direkt observera hur supraledningsgapet bildas i tvådimensionella (2D) material.

För detta använde forskarna tunnlingsspektroskopi. I denna kvant‑skaliga teknik agerar elektroner både som vågor och som partiklar, vilket låter dem ”tunnla” genom barriärer som normalt skulle stoppa dem. Genom att studera hur lätt elektroner kan tunnla genom ett material lär sig forskarna hur starkt de är bundna i det.

I detta fall tunnlade teamet elektroner mellan två lager av MATTG för att mäta dess supraledande tillstånd.

Denna metod ensam bevisar dock inte alltid ett materials supraledning, vilket gör direkta mätningar avgörande men utmanande. Så kombinerade teamet tunnlingsspektroskopi med elektriska transportmätningar, som spårar hur ström rör sig genom ett material samtidigt som dess resistans övervakas.

Teamet använde detta tillvägagångssätt på MATTG och identifierade tydligt det supraledande tunnlingsgapet, som bara uppträdde när materialet nådde nollresistans.

Vid förändring av temperatur och magnetfält visade detta gap en skarp V‑formad kurva snarare än det släta, platta mönster som vanligtvis ses i konventionella supraledare. Enligt studien försvinner det unika låg‑energi‑supraledningsgapet vid den supraledande kritiska temperaturen och magnetfältet.

Den distinkta formen pekar på en ny mekanism som ligger till grund för MATTG:s supraledning, vilken, även om den är okänd, tydligt visar att materialet faktiskt beter sig annorlunda än någon konventionell supraledare.

I de flesta supraledare parar sig elektroner på grund av vibrationer i det omgivande atomgittret, som driver dem ihop. Men i MATTG, säger Park, kan parade bildas på grund av starka elektroniska interaktioner, vilket innebär att ”elektronerna själva hjälper varandra att para sig, vilket bildar ett supraledande tillstånd med speciell symmetri.”

Tekniken som gjorde det möjligt för teamet att direkt observera supraledningsgapet, kombinationen av tunnlingsspektroskopi och transportmätningar, kommer nu att användas för att studera olika vridna och lagerade material.

Med uppsättningen som låter teamet ”identifiera och studera de underliggande elektroniska strukturerna för supraledning och andra kvanttillstånd när de uppstår, inom samma prov”, noterade Park att ”denna direkta vy kan avslöja hur elektroner parar sig och konkurrerar med andra tillstånd, vilket banar väg för att designa och kontrollera nya supraledare och kvantmaterial som en dag kan driva mer effektiva teknologier eller kvantdatorer.”

De kommer också att använda den experimentella uppsättningen för att studera MATTG samt andra 2D‑material i större detalj för att hitta nya, lovande kandidater för avancerad teknik.

”Att förstå en okonventionell supraledare mycket väl kan utlösa vår förståelse av resten,” sade studiens seniorförfattare, Jarillo‑Herrero, som är Cecil and Ida Green‑professor i fysik vid MIT. ”Denna förståelse kan vägleda designen av supraledare som fungerar vid rumstemperatur, till exempel, vilket är någon sorts den heliga graalen för hela fältet.”

Kvantgeometriens roll i att göra elektroner supravätska

Medan MIT:s senaste upptäckt i magic‑angle trilager‑grafen markerar ett stort steg mot att förstå okonventionell supraledning, hjälper kompletterande studier också till att fylla i viktiga detaljer, såsom hur lätt elektronpar flödar genom dessa material.

Det är känt att elektroner i supraledande material rör sig utan friktion, men hur lätt elektronpar kan flöda beror på faktorer som deras densitet. Begreppet ”supravätskestivhet” beskriver hur motståndskraftigt ett supraledande system är mot förändringar i flödet av dess elektronpar, vilket gör det till en viktig indikator på supraledning.

Tidigare i år mätte fysiker vid MIT och Harvard University direkt supravätskestivheten i magic‑angle‑grafen⁴ för att bättre förstå hur materialet blir supraledande.

Med denna studie har målet varit att identifiera den mekanism som ansvarar för supraledning i magic‑angle‑grafen, vilken huvudsakligen bestäms av kvantgeometri, eller den konceptuella ”formen” av kvanttillstånd i ett material.

Nu, för att direkt mäta supravätskestivheten, utvecklade teamet en ny experimentell teknik som också kan användas för att göra liknande mätningar av andra 2D‑supraledande material, av vilka ”det finns en hel familj… som väntar på att undersökas.”

I material som MATBG kan parningen av elektroner, även kallade Cooper‑par, bilda en supravätska, vilket betyder att de kan röra sig genom ett material som en enkel ström. Men även om de saknar motstånd krävs fortfarande en viss drivkraft i form av ett elektriskt fält för att få strömmen att röra sig.

”Supravätskestivhet avser hur lätt det är att få dessa partiklar att röra sig, för att driva supraledning.”

– Studie medförfattare Joel Wang, forskningsvetenskapsman vid MIT:s Research Laboratory of Electronics (RLE)

Denna supravätskestivhet mäts vanligtvis med metoder som placerar det supraledande materialet i en mikrovågsresonator, en enhet som resoneras vid mikrovågsfrekvenser. I en mikrovågsresonator förändrar materialet både resonansfrekvensen och den kinetiska induktansen i proportion till dess supravätskestivhet.

Men dessa tekniker har bara varit kompatibla med prover som är 10 till 100 gånger större och tjockare än MATBG, vilket innebär att ett nytt tillvägagångssätt behövs för att mäta supravätskestivhet i atomtunt tunna supraledare.

Nu är utmaningen med att göra det med ett extremt känsligt material som MATBG att fästa det på mikrovågsresonatorns yta utan att störa dess släthet. Detta innebär att skapa ”en idealt förlustfri – d.v.s. supraledande – kontakt mellan de två materialen”, annars kommer den skickade mikrovågssignalen att försämras eller bara studsa tillbaka.

Så byggde teamet först MATBG med standardtillverkningstekniker och omslöt det sedan mellan två isolerande lager av hexagonal boron nitride för att bevara dess känsliga atomstruktur och inneboende egenskaper.

Resonatorn bestod huvudsakligen av aluminium, med en liten mängd MATBG tillsatt i slutet. För att kontakta MATBG etsade teamet den mycket skarpt, vilket exponerade en sida av den nyklippta MATBG, där aluminium deponerades för att ”göra en bra kontakt och bilda en aluminiumledare”, som sedan kopplades till den större aluminium‑mikrovågsresonatorn. 

Teamet skickade en mikrovågssignal genom resonatorn, mätte den resulterande förskjutningen i dess resonansfrekvens och härledde MATBG:s kinetiska induktans. När den uppmätta induktansen omvandlades till ett värde för supravätskestivhet fann teamet att den var mycket större än vad konventionella supraledningsteorier skulle ha förutspått.

”Vi såg en tiofaldig ökning av supravätskestivheten jämfört med konventionella förväntningar, med ett temperaturberoende som är i linje med vad teorin om kvantgeometri förutsäger,” sade medförfattare Miuko Tanaka. ”Detta var ett ”smoking gun” som pekade på kvantgeometriens roll i att styra supravätskestivheten i detta tvådimensionella material.”

Investera i supraledningsteknik

American Superconductor Corporation (AMSC ) är ett energiteknikföretag som tillverkar avancerade supraledningssystem. Det fokuserar på att kommersialisera befintliga supraledningsteknologier och tillämpa dem på verkliga kraftnät- och marinapplikationer.

AMSC är en ledande leverantör av megawatt‑skala kraftresilienslösningar, inklusive Gridtec, Marinetec och Windtec. 

Genom dessa lösningar tillhandahåller företaget avancerade nätverkssystem för att optimera nätverksprestanda, effektivitet och tillförlitlighet, framdrivnings- och kraftstyrningslösningar för att förbättra kraftkvalitet och operativ säkerhet, samt elektroniska styrsystem för vindkraftverk.

Förra veckan rapporterade företaget sin omsättning för andra kvartalet fiscal 2025, som ökade från 54,5 miljoner $ i 2Q23 till 65,9 miljoner $. Dess nettoresultat var 4,8 miljoner $, eller 0,11 $ per aktie. Per 30 september 2025 hade AMSC 218,8 miljoner $ i kontanter, likvida medel och begränsade kontanter, jämfört med 85,4 miljoner $ i slutet av mars.

Om den 20 % år‑till‑år‑tillväxten i omsättning, bruttomarginaler som överstiger 30 % och genereringen av nästan 5 miljoner $ i nettoresultat för att markera det femte raka kvartalet av lönsamhet, sade VD Daniel P. McGahn att detta drevs av ”stark orderefterfrågan över energimarknader och militära marknader, stödd av medvindar i inhemsk tillverkning och pålitliga kraftbehov över nyckelsektorer.”

För det tredje kvartalet förväntar sig AMSC en omsättning på mellan 65 miljoner $ och 70 miljoner $ samt ett nettoresultat på över 2 miljoner $, eller 0,05 $ per aktie.

Senaste nyheter om American Superconductor Corporation (AMSC) aktie

Slutsats

Supraledning är ett av de mest transformerande begreppen inom modern fysik, med stor påverkan på energieffektivitet, databehandling och materialvetenskap. MIT‑teamets arbete med magic‑angle twisted trilayer graphene (MATTG) representerar ett viktigt framsteg i att avslöja hur supraledning kan uppstå genom okonventionella mekanismer.

Dessa fynd kan också hjälpa oss att konstruera material som uppnår supraledning vid rumstemperatur, den länge eftersökta ”Heliga Graalen”. Om de realiseras kan sådana material revolutionera allt från elektrisk transport till datacenter och kvantdatorer, och inleda en ny era av teknologiska möjligheter.

Referenser

1. Hao, Z., Zimmerman, A. M., Ledwith, P., Khalaf, E., Haie Najafabadi, D., Watanabe, K., Taniguchi, T., Vishwanath, A. & Kim, P. Elektriskt‑fält‑justerbar supraledning i alternerande‑twist magic‑angle trilager‑grafen. 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. Bevis för okonventionell supraledning i 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. Experimentellt bevis för nodalt supraledningsgap i moiré‑grafen. 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. Supravätskestivhet i magic‑angle twisted bilayer graphene. Nature 638, 99–105 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08494-7