Учёные из центра RIKEN CEMS совершили прорыв в управлении сверхпроводимостью, обнаружив, что скручивание слоёв материала на атомном уровне позволяет точно настраивать его ключевые параметры. Открытие раскрывает механизм контроля энергетического порога, определяющего, при каких условиях материал теряет сопротивление. Это приближает создание сверхпроводников, работающих при более высоких температурах, и устройств для квантовых вычислений, где важно управление электронными парами.

В основе исследования — эксперименты с ультратонкими слоями ниобия диселенида, нанесёнными на графеновую подложку. Используя методы спектроскопической визуализации и молекулярно-лучевой эпитаксии, учёные изменяли угол скручивания между слоями, что привело к неожиданному эффекту: «сверхпроводящий зазор» — область энергии, необходимая для разрушения пар электронов, — начал меняться не равномерно, а с чёткой пространственной модуляцией. Это позволило впервые воздействовать на сверхпроводимость через «импульсное пространство» — условную карту, описывающую распределение энергии электронов в материале.

Ранние методы контроля сосредотачивались на физической структуре, например, деформации кристаллической решётки. Теперь же скручивание слоёв действует как точный инструмент, избирательно подавляя зазор в определённых зонах импульсного пространства.

Наши результаты показывают, что скручивание обеспечивает точный механизм управления сверхпроводимостью за счёт избирательного подавления сверхпроводящего зазора в целевых областях импульсного пространства.

Масахиро Нарицука, RIKEN CEMS, первый автор исследования

Практическая ценность метода — в двукратном преимуществе. Во-первых, он позволяет проектировать сверхпроводники с увеличенным энергетическим зазором, что критично для стабильной работы при температурах, близких к комнатной. Во-вторых, тонкая настройка движения куперовских пар открывает путь к созданию компактных квантовых компонентов — например, элементов памяти для квантовых компьютеров или сверхчувствительных сенсоров для энергосистем.

Следующий шаг — интеграция магнитных слоёв. Это добавит контроль над спином электронов, что необходимо для спинтронных устройств. По оценкам учёных, первые приложения технологии могут появиться в гибридных системах хранения энергии уже к 2030 году, а к 2035?му — в низкотемпературных квантовых процессорах. Однако главный результат — принципиально новый подход к инженерии материалов, который превращает «скручивание» из лабораторного эксперимента в инструмент промышленного дизайна.