Kinukumpirma ng MIT ang Di-pangkaraniwang Superconductivity sa MATTG

Ang superconductivity ay nangyayari kapag ang mga electron ay nag‑pareha, sa halip na magkalat tulad ng sa mga normal na konduktor o pangkaraniwang materyales. Ang mga pares ng electron na ito ay tinatawag na “Cooper pairs,” na nagdudulot ng perpektong daloy ng kuryente na walang resistensya.

Ang kahanga‑hanging katangiang ito ay nasusubaybayan sa mga superkonduktor kapag pinalamig ito sa ibaba ng isang tiyak na “critical temperature.” Bukod sa pagpapahintulot na dumaloy ang kuryente nang walang hangganan nang walang pagkawala ng enerhiya, itinataboy din ng mga materyales na ito ang mga magnetic field, na nagbibigay‑daan sa kanila na lumutang.

Habang ang mga tradisyonal na superkonduktor, tulad ng gawa sa aluminyo, ay nangangailangan ng napakababang temperatura, aktibong nagde‑develop ang mga mananaliksik ng mga materyales na maaaring mag‑superconduct sa mas mataas, mas praktikal na mga temperatura, isang hakbang na maaaring magbago ng larangan ng enerhiya at quantum na teknolohiya.

Nakamit na ngayon ng mga mananaliksik sa MIT ang breakthrough na ito. Nakita nila ang isang natatanging V‑shaped na energy gap, na nagpapahiwatig ng di‑pangkaraniwang superconductivity sa magic‑angle graphene, na nagmamarka ng mahalagang pag‑unlad patungo sa mga superkonduktor na maaaring gumana sa temperatura ng silid.

Magic‑Angle Graphene at ‘Twistronics’: Paano Binabago ng Pag‑ikot ng Layer ang Pisika

Mula nang madiskubre ang “magic‑angle” graphene, ito ay nagdulot ng malaking ingay sa mundo ng siyensiya, kung saan natuklasan ng mga mananaliksik ang napakaraming kakaibang quantum phenomena mula sa correlated insulating states at di‑pangkaraniwang superconductivity hanggang sa tunable magnetism at topological phases.

Noong 2018, isang pangkat ng mga pisiko sa MIT, pinamunuan ni Pablo Jarillo‑Herrero, ang unang lumikha at nakakita ng mga epekto ng magic‑angle graphene.

Nadiskubre nila ang hindi pangkaraniwang mga katangian ng elektronika, tulad ng superconductivity, kapag dalawang layer ng graphene ay pinagsama sa isang napaka‑tiyak na anggulo. Ang twisted na estruktura na iyon ay kilala bilang magic‑angle twisted bilayer graphene, o MATBG.

Ang graphene ay isang solong layer ng carbon, na isang atomong kapal lamang at may honeycomb lattice. Ang ayos ng mga atom ng carbon sa isang hexagonal na pattern ay kahawig ng chicken wire at nagpapakita ng kahanga‑hang lakas, tibay, at kakayahang mag‑conduct ng init at kuryente.

Ang bilayer graphene, sa kabilang banda, ay isang stack ng dalawang layer kung saan ang dalawang lattice ay nakaposisyon sa isang partikular na paraan.

Sa pristine bilayer graphene, nakita nina Jarillo‑Herrero at ng kanyang mga kasamahan ang Mott insulator behavior (isang phenomenon kung saan ang isang materyal ay nagiging insulator dahil sa malakas na electron‑electron repulsion, kahit na inaasahang magiging konduktor) nang ang dalawang layer ay na‑twist sa isang magic angle.

Ito ay nagdala sa pag‑develop ng “twistronics”, isang promising na bagong teknik para i‑adjust ang mga katangian ng elektronika ng graphene sa pamamagitan ng pag‑ikot ng magkatabing mga layer ng materyal.

Ang metodong ito ay ginamit ng isang pangkat ng mga mananaliksik mula sa MIT, Harvard University, at NIMS sa Japan upang gawing superconducting ang twisted bilayer sa pamamagitan ng pag‑aaplay ng electric field.

Sa paglipas ng panahon, maraming mananaliksik ang nagsuri ng iba’t ibang multilayer graphene structures, na nagpakita ng mga palatandaan ng di‑pangkaraniwang superconductivity.

Noong 2021, matagumpay na nag‑stack ang mga pisiko ng Harvard ng tatlong layer ng graphene at na‑twist ang mga ito sa magic angle upang lumikha ng isang tatlong‑layer na sistema na nagpapakita ng matibay na superconductivity¹ sa mas mataas na temperatura kaysa sa maraming double‑stacked graphene systems. Dahil sensitibo ito sa externally applied electric field, pinahintulutan din nito ang pangkat na i‑tune ang superconductivity sa pamamagitan ng pag‑adjust ng lakas ng field.

Ang eksperimentong ito ay tumulong sa mga siyentipiko na maunawaan na ang superconductivity ng trilayer structure ay dahil sa malakas na electron‑electron interactions, na nagiging mas matibay ito sa mas mataas na temperatura.

Sa parehong taon, iniulat ng mga mananaliksik sa Princeton ang isang kahanga‑hang pagkakahawig² sa pagitan ng superconductivity ng magic graphene at ng mga high‑temperature superconductor.

Gamit ang scanning tunneling microscope (STM), natuklasan nila na ang mga pares na electron ay may finite angular momentum. Ang iba ay nagtanong kung paano nagbabago ang pag‑uugali ng isang superconducting material kapag ang superconducting state ay na‑quench sa pamamagitan ng pagtaas ng temperatura o pag‑aaplay ng magnetic field. Habang ang mga electron ay nag‑unpair sa mga tradisyonal na superkonduktor, sa mga di‑pangkaraniwang, may ilang correlation pa rin na nananatili.

MIT Nagtatayo ng Landas Patungo sa Room‑Temperature Superconductors

Ang kakayahan ng mga superkonduktor na mag‑conduct ng kuryente nang walang resistensya ay ginagawa silang susi sa mga teknolohiya tulad ng MRI scanners, power transmission at storage, advanced computing, at particle accelerators.

Ngunit ang mga tradisyonal na superkonduktor ay gumagana lamang sa napakalamig na temperatura. Kaya, kailangan silang panatilihin sa mga espesyal na cooling system upang matulungan silang mapanatili ang kanilang superconducting state.

Kung ang mga materyales na ito ay makakapag‑superconduct sa mas mataas, mas madaling maabot na mga temperatura, maaari nilang baguhin ang mga sistemang teknolohikal sa buong mundo. Sa layuning ito, ang mga siyentipiko sa MIT ay nagsusuri ng mga di‑pangkaraniwang superkonduktor na lumilihis mula sa tradisyonal na pag‑uugali.

Kamakailan, nakita ng mga pisiko ng MIT ang phenomenon na ito sa “magic‑angle” twisted tri‑layer graphene (MATTG), na nagbibigay ng direktang kumpirmasyon na maaaring mag‑host ng di‑pangkaraniwang superconductivity ang MATTG³.

Ayon kay Jeong Min Park, ang co‑lead author ng pag‑-aaral, sa mga tradisyonal na superkonduktor, ang mga electron sa ‘Cooper pairs’ ay napakalayo sa isa’t isa, at mahina ang pagkakabind, hindi tulad ng sa magic‑angle graphene, kung saan “nakita na namin ang mga palatandaan na ang mga pares na ito ay napakakapit, halos parang isang molekula. May mga pahiwatig na may napakaiba sa materyal na ito.”

Bagaman ang mga nakaraang pag‑-aaral ay nagbigay ng mga pahiwatig, hindi ito tiyak na nakumpirma. Ayon sa pag‑-aaral, ang pag‑unawa sa kalikasan ng superconductivity sa magic‑angle graphene ay naging hamon, kung saan ang pangunahing kahirapan ay ang pagtukoy sa superconducting gap.

Gayunpaman, matagumpay na nasukat ng koponan ng MIT ang superconducting gap ng MATTG, na nagpakita ng lakas ng superconducting state nito sa iba’t ibang temperatura. Ang kanilang natuklasan ay isang gap sa MATTG na ganap na iba sa sa mga tradisyonal na superkonduktor, na nagmumungkahi na ang pagiging superconducting ng MATTG ay nakadepende sa isang hindi pangkaraniwang mekanismo.

Swipe to scroll →

Ayon kay Shuwen Sun, co‑lead author ng pag‑-aaral at graduate student sa Department of Physics ng MIT, hindi iisa kundi maraming iba’t ibang mekanismo ang maaaring magdulot ng superconductivity sa mga materyales, at ang superconducting gap ang nagbibigay ng pahiwatig kung aling partikular na mekanismo ang magdadala sa mga room‑temperature superconductor upang baguhin ang enerhiya at teknolohiya.

Kapag ang isang materyal ay nagiging superconducting, ang mga electron ay gumagalaw nang magkasama bilang mga pares sa halip na paisa‑isa, at mayroong energy gap na nagpapakita kung paano sila nakabind. Ang hugis at simetriya ng gap na iyon ay nagsasabi sa atin ng pinakapundamental na kalikasan ng superconductivity.

– Park

Upang patunayan ang kanilang pagkakatuklas ng isang di‑pangkaraniwang mekanismo, gumamit ang koponan ng isang bagong experimental system na nagpapahintulot sa kanila na direktang obserbahan kung paano nabubuo ang superconducting gap sa dalawang‑dimensional (2D) na mga materyales.

Para dito, ginamit ng mga mananaliksik ang tunneling spectroscopy. Sa teknikong ito sa antas ng quantum, ang mga electron ay kumikilos bilang alon at bilang particle, na nagpapahintulot sa kanila na “tunnel” sa mga hadlang na karaniwang humahadlang sa kanila. Sa pamamagitan ng pag‑aaral kung gaano kadali makapag‑tunnel ang mga electron sa isang materyal, natutuklasan ng mga mananaliksik kung gaano kalakas ang pagkakabind nila dito.

Sa kasong ito, nag‑tunnel ang koponan ng mga electron sa pagitan ng dalawang layer ng MATTG upang sukatin ang superconducting state nito.

Gayunpaman, ang metodong ito lamang ay hindi palaging nagpapatunay ng superconductivity ng isang materyal, kaya mahalaga ngunit hamon ang direktang pagsukat. Kaya, pinagsama ng koponan ang tunneling spectroscopy sa electrical transport measurements, na sinusubaybayan kung paano gumalaw ang kuryente sa isang materyal habang sinusubaybayan ang resistensya nito.

Ginamit ng koponan ang lapit na ito sa MATTG at malinaw na natukoy ang superconducting tunneling gap, na lumitaw lamang kapag ang materyal ay umabot sa zero resistance.

Sa pag‑bagong ng temperatura at magnetic field, ang gap na ito ay nagpakita ng matulis na V‑shaped na kurba sa halip na ang makinis, patag na pattern na karaniwang nakikita sa tradisyonal na superkonduktor. Ayon sa pag‑-aaral, ang natatanging low‑energy superconducting gap ay naglalaho sa superconducting critical temperature at magnetic field.

Ang natatanging hugis ay nagpapahiwatig ng isang bagong mekanismo na nasa ilalim ng superconductivity ng MATTG, na bagaman hindi pa alam, ay malinaw na nagpapakita na ang materyal ay kumikilos nang iba sa anumang tradisyonal na superkonduktor.

Sa karamihan ng mga superkonduktor, ang mga electron ay nag‑pair dahil sa mga pag‑ugong sa nakapaligid na atomic lattice, na nagtutulak sa kanila na magsama. Ngunit sa MATTG, ayon kay Park, ang pag‑pair ay maaaring dulot ng malakas na electronic interactions, na nangangahulugang “ang mga electron mismo ay tumutulong sa isa’t isa na mag‑pair, na bumubuo ng superconducting state na may espesyal na simetriya.”

Ang teknik na nagbigay‑daan sa koponan na direktang obserbahan ang superconducting gap, ang kombinasyon ng tunneling spectroscopy at transport measurements, ay gagamitin na ngayon upang pag‑aralan ang iba’t ibang twisted at layered na materyales.

Sa setup na nagpapahintulot sa koponan na “kilalanin at pag‑aralan ang mga nakapailalim na electronic structures ng superconductivity at iba pang quantum phases habang nangyayari, sa loob ng parehong sample,” sinabi ni Park na “ang direktang pag‑tingin na ito ay maaaring mag‑bunyag kung paano nag‑pair ang mga electron at nakikipag‑kompetensya sa iba pang mga estado, na nag‑bubukas ng daan upang mag‑disenyo at kontrolin ang mga bagong superkonduktor at quantum materials na maaaring magbigay ng mas epektibong teknolohiya o quantum computers balang araw.”

Gagamitin din nila ang experimental setup upang pag‑aralan ang MATTG pati na rin ang iba pang 2D na materyales nang mas detalyado upang makahanap ng mga bagong, promising na kandidato para sa advanced na teknolohiya.

“Ang lubos na pag‑unawa sa isang di‑pangkaraniwang superkonduktor ay maaaring mag‑trigger ng ating pag‑unawa sa iba pa,” sabi ng senior author ng pag‑-aaral, si Jarillo‑Herrero, na Cecil at Ida Green Professor of Physics sa MIT. “Ang pag‑unawang ito ay maaaring mag‑gabay sa disenyo ng mga superkonduktor na gumagana sa room temperature, halimbawa, na halos Holy Grail ng buong larangan.”

Ang Papel ng Quantum Geometry sa Paglikha ng Superfluid na mga Electron

Habang ang pinakabagong tuklas ng MIT sa magic‑angle trilayer graphene ay nagmamarka ng malaking hakbang patungo sa pag‑unawa ng di‑pangkaraniwang superconductivity, tumutulong din ang mga karagdagang pag‑-aaral na punan ang mahahalagang detalye, tulad ng kung gaano kadali dumadaloy ang mga pares ng electron sa mga materyales na ito.

Alam na ang mga electron sa superconducting na materyales ay gumagalaw nang walang friction, ngunit kung gaano kadali dumadaloy ang mga pares ng electron ay nakadepende sa mga salik tulad ng kanilang density. Ang terminong “superfluid stiffness” ay naglalarawan kung gaano katatag ang isang superconducting system sa mga pagbabago sa daloy ng mga pares ng electron nito, kaya’t ito ay isang mahalagang indikasyon ng superconductivity.

Sa unang bahagi ng taong ito, direktang nasukatan ang superfluid stiffness sa magic‑angle graphene⁴ upang mas maunawaan kung paano nag‑superconduct ang materyal.

Sa pag‑-aaral na ito, ang layunin ay tukuyin ang mekanismo na responsable sa superconductivity sa magic‑angle graphene, na pangunahing tinutukoy ng quantum geometry, o ang konseptwal ‘hugis’ ng mga quantum state sa isang materyal.

Ngayon, upang direktang sukatin ang superfluid stiffness, nag‑develop ang koponan ng isang bagong experimental technique na maaari ring magamit upang gumawa ng katulad na sukat sa iba pang 2D superconducting materials, kung saan “may isang buong pamilya… na naghihintay na masuri.”

Sa mga materyal tulad ng MATBG, ang pag‑pair ng mga electron, kilala rin bilang Cooper pairs, ay maaaring bumuo ng superfluid, na nangangahulugang maaari silang gumalaw sa isang materyal bilang isang walang kahirap‑hirap na kuryente. Ngunit kahit na wala silang resistensya, kailangan pa rin ng ilang puwersa sa anyo ng electric field upang mapagalaw ang kuryente.

“Ang superfluid stiffness ay tumutukoy kung gaano kadali mapagalaw ang mga particle na ito, upang mapatakbo ang superconductivity.”

– Study co‑lead author Joel Wang, a research scientist in MIT’s Research Laboratory of Electronics (RLE)

Karaniwang sinusukat ang superfluid stiffness gamit ang mga pamamaraan na inilalagay ang superconducting material sa isang microwave resonator, isang aparato na nagre‑resonate sa microwave frequencies. Sa isang microwave resonator, binabago ng materyal ang parehong resonance frequency at kinetic inductance alinsunod sa kanyang superfluid stiffness.

Ngunit ang mga teknik na ito ay compatible lamang sa mga sample na 10 hanggang 100 beses na mas malaki at mas makapal kaysa sa MATBG, na nangangahulugang kailangan ng bagong pamamaraan upang sukatin ang superfluid stiffness sa atomically thin na mga superkonduktor.

Ngayon, ang hamon sa paggawa nito sa isang napaka‑delikadong materyal tulad ng MATBG ay ang pag‑attach nito sa ibabaw ng microwave resonator nang hindi nasisira ang kalinisan nito. Ibig sabihin, paggawa ng “isang perpektong lossless — i.e., superconducting — contact sa pagitan ng dalawang materyal,” kung hindi ay magiging degraded o babalik lang ang microwave signal.

Kaya, unang binuo ng koponan ang MATBG gamit ang standard fabrication techniques at pagkatapos ay inilagay ito sa pagitan ng dalawang insulating sheet ng hexagonal boron nitride upang mapanatili ang kanyang delikadong atomic structure at intrinsic properties.

Ang resonator ay karamihan ay aluminum, na may kaunting bahagi ng MATBG na idinagdag sa dulo. Upang makontak ang MATBG, maingat na inukit ito ng koponan, na nagbubukas ng isang gilid ng bagong gupit na MATBG, kung saan ang aluminum ay idineposit upang “gawin ang isang magandang contact at bumuo ng aluminum lead,” na ikinonekta sa mas malaking aluminum microwave resonator.

Nagpadala ang koponan ng microwave signal sa pamamagitan ng resonator na ito, sinukat ang pagbabago sa resonance frequency nito, at tinantiya ang kinetic inductance ng MATBG. Sa pag‑convert ng nasukat na inductance sa halaga ng superfluid stiffness, natuklasan ng koponan na ito ay mas malaki kaysa sa inaasahan ng mga tradisyonal na teorya ng superconductivity.

“Nakita namin ang sampung beses na pagtaas sa superfluid stiffness kumpara sa mga tradisyonal na inaasahan, na may temperature dependence na tumutugma sa kung ano ang inaasahan ng teorya ng quantum geometry,” sabi co‑lead author na si Miuko Tanaka. “Ito ay isang ‘smoking gun’ na nag‑point sa papel ng quantum geometry sa pag‑gobyerno ng superfluid stiffness sa dalawang‑dimensional na materyal na ito.”

Pamumuhunan sa Superconducting Tech

American Superconductor Corporation (AMSC ) ay isang energy technology company na gumagawa ng advanced superconductor systems. Nakatuon ito sa commercializing ng mga umiiral na superconducting technologies at pag‑apply nito sa mga real‑world na power grid at naval applications.

Ang AMSC ay isang nangungunang provider ng megawatt‑scale power resiliency solutions, kabilang ang Gridtec, Marinetec, at Windtec.

Sa pamamagitan ng mga solusyong ito, nagbibigay ang kumpanya ng advanced grid systems upang i‑optimize ang performance, efficiency, at reliability ng network, propulsion at power management solutions upang mapabuti ang kalidad ng kuryente at operational safety, at mga electronic controls at systems para sa wind turbine.

Ang AMSC ay isang kumpanya na may market cap na $1.66 bilyon, kung saan ang mga shares, sa oras ng pagsulat, ay nagte‑trade sa $36.97, tumaas ng 49.86% YTD. Noong nakaraang buwan, ang presyo ng share ay umabot sa tuktok na $70.49, ngunit bumaba nang malaki mula noon. Ang napakalaking 47.5% na pagbaba sa loob ng mas mababa sa isang buwan ay dulot ng hindi pagtupad ng AMSC sa mga Wall Street sales target.

Noong nakaraang linggo, iniulat ng kumpanya ang kanyang second‑quarter fiscal 2025 revenue, na tumaas mula $54.5 milyon noong 2Q23 hanggang $65.9 milyon. Ang net income nito ay $4.8 milyon, o $0.11 kada share. Sa petsa ng Setyembre 30, 2025, ang AMSC ay may $218.8 milyon sa cash, cash equivalents, at restricted cash, kumpara sa $85.4 milyon noong katapusan ng Marso.

Sa pagtalakay sa 20% YoY growth sa revenue, gross margins na lampas sa 30%, at pag‑generate ng halos $5 milyon na net income na nag‑marka ng ikalimang sunod‑sunod na quarter ng profitability, sinabi ng CEO na si Daniel P. McGahn na ito ay pinasigla ng “malakas na demand ng order sa mga energy at military markets, suportado ng tailwinds sa domestic manufacturing at mapagkakatiwalaang pangangailangan ng kuryente sa mga pangunahing sektor.”

Para sa ikatlong quarter, inaasahan ng AMSC na ang revenue ay nasa pagitan ng $65 milyon hanggang $70 milyon at ang net income ay lalagpas sa $2 milyon, o $0.05 kada share.

Pinakabagong Balita sa Stock ng American Superconductor Corporation (AMSC)

Konklusyon

Ang superconductivity ay isa sa mga pinaka‑transformative na konsepto sa modernong pisika, na may malaking impluwensya sa energy efficiency, computing, at materials science. Ang trabaho ng koponan ng MIT sa magic‑angle twisted trilayer graphene (MATTG) ay kumakatawan sa isang mahalagang pag‑unlad sa pag‑diskubre kung paano maaaring lumitaw ang superconductivity sa pamamagitan ng mga di‑pangkaraniwang mekanismo.

Ang mga natuklasang ito ay maaari ring makatulong sa atin na mag‑engineer ng mga materyales na nakakamit ang superconductivity sa room temperature, ang matagal nang hinahangad na “Holy Grail.” Kung maisakatuparan, ang mga materyales na ito ay maaaring baguhin ang lahat mula sa electric transportation hanggang sa data centers at quantum computers, na magdadala ng isang bagong panahon ng posibilidad sa teknolohiya.

Mga Sanggunian

Hao, Z., Zimmerman, A. M., Ledwith, P., Khalaf, E., Haie Najafabadi, D., Watanabe, K., Taniguchi, T., Vishwanath, A. & Kim, P. Superconductivity na maaaring i‑tune ng electric field sa alternating‑twist magic‑angle trilayer graphene. Science 371, 1133–1138 (2021). https://doi.org/10.1126/science.abg0399
Oh, M., Nuckolls, K. P., Wong, D., Lee, R. L., Liu, X., Watanabe, K., Taniguchi, T. & Yazdani, A. Patunay para sa di‑pangkaraniwang superconductivity sa twisted bilayer graphene. Nature 600, 240–245 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04121-x
Park, J. M., Sun, S., Watanabe, K., Taniguchi, T. & Jarillo‑Herrero, P. Eksperimental na patunay para sa nodal superconducting gap sa moiré graphene. Science (2025). https://doi.org/10.1126/science.adv8376
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 ng magic‑angle twisted bilayer graphene. Nature 638, 99–105 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08494-7