超導體量子革命：微小扭轉開啟新紀元

科學家們最近發現了一種革命性的方法，透過扭轉超薄層的超導材料來控制超導性。這項技術能夠精確調控超導能隙，這對於提升量子裝置的效率至關重要。與以往專注於物理位置的方法不同，這項突破在動量空間中實現了控制，為材料科學開啟了新的可能性。這項發現有望推動節能技術、量子計算以及具有定製特性的超導體設計的發展。

日本理化學研究所（RIKEN）新興物質科學中心（CEMS）的研究團隊及其合作者，透過扭轉超薄層材料，發現了一種控制超導性的新方法。這項突破不僅可能帶來更節能的技術，還將推動量子計算的進步。研究人員透過調整這些層之間的角度，能夠精確地修改超導能隙，這是決定這些材料行為的關鍵因素。這項研究成果已於3月20日發表在《自然物理學》期刊上。

超導能隙代表著打破庫柏對（Cooper pairs）所需的能量。庫柏對是由一對電子組成，它們在低溫下使超導性成為可能。較大的能隙使得超導效能夠在更高的溫度下運作，這對於實際應用來說更為實用。調控這個能隙對於最佳化奈米尺度下的庫柏對相互作用也至關重要，這能提升量子裝置的效能。

迄今為止，大多數控制超導能隙的努力都集中在實空間，即調整粒子的物理排列。然而，在動量空間中控制它仍然是一個挑戰，動量空間對映了系統的能量狀態。實現這種精確控制對於開發下一代超導體和量子技術至關重要。

為了實現這一目標，研究團隊開始使用超薄的二硒化鈮（niobium diselenide）層，這是一種已知的超導體，並將其沉積在石墨烯基板上。透過先進的成像和製造技術，如光譜成像掃描隧道顯微鏡和分子束外延，他們精確地調整了層的扭轉角度。這種修改在動量空間中產生了可測量的超導能隙變化，從而開啟了一種精確調控超導特性的新方法。

該論文的第一作者、CEMS的中村正宏表示：「我們的研究表明，扭轉提供了一種精確控制超導性的機制，能夠選擇性地抑制目標動量區域中的超導能隙。」一個令人驚訝的發現是，超導能隙中出現了花朵狀的調變圖案，這些圖案與兩種材料的晶體軸都不對齊。這凸顯了扭轉在塑造超導特性中的獨特作用。

論文的最後作者、CEMS的花慄哲夫補充道：「短期內，我們的研究加深了對超導系統和層間相互作用的理解，推動了具有定製特性的超導體設計。長期來看，這為開發節能技術、量子計算及其他領域奠定了基礎。」下一步將研究是否可以在結構中整合磁性層，以實現自旋和動量的選擇性。這些進展可能開啟新的研究機會，並為開發創新材料和裝置鋪平道路。

參考文獻：Superconductivity controlled by twist angle in monolayer NbSe2 on graphene, 2025年3月20日, 《自然物理學》, DOI: 10.1038/s41567-025-02828-6