近年來，僅數個原子厚度的層狀材料的製備技術取得了突破，獲得廣泛關注。這類原子層材料包括金屬、磁性材料、超導體等多種具有不同物性的類型，而通過多層堆疊更可呈現全新物性。若堆疊時層間發生扭轉，物性還可能產生急劇變化。然而，堆疊與扭轉對電子態的影響，尤其是對超導現象的作用，此前一直難以通過實驗進行調查，基本處於未知狀態。
圖1 扭轉堆疊的超導態示意圖（供圖：理化學研究所）
圖2石墨烯上NbSe₂的扭轉堆疊
黑箭頭與藍箭頭分別表示石墨烯與NbSe₂的晶軸，θ為石墨烯與NbSe₂晶軸的偏移角度。（供圖：理化學研究所）
日本國立研究開發法人理化學研究所（簡稱「理研」）創發物性科學研究中心創發物性測量研究團隊的成冢政裕研究員、町田理上級研究員、花栗哲郎團隊負責人，與京都大學研究生院理學研究科的博士研究生淺野舜、柳瀨陽一教授組成的聯合團隊發現，通過堆疊原子級厚度的超導體層狀材料與其他原子層材料，並施加晶軸扭轉，就能實現超導特性的控制。相關研究成果已發表在期刊《Nature Physics》上。
聯合研究團隊將原子層超導體NbSe₂（二硒化鈮）與作為碳原子層材料而聞名的石墨烯進行堆疊扭轉，並利用可描繪不同能量電子間距分佈的掃描隧道顯微鏡法與光譜法（STM/STS），詳細探究了扭轉對超導態的影響。
理研自主開發了超低溫環境下運行的掃描隧道顯微鏡，作為能夠穩定實現STM/STS測量的裝置，可在世界最低的0.09K溫度以下運行。該溫度顯著低於原子層超導體NbSe₂的臨界溫度1～2K，可研究超導態的本質特性。
聯合研究團隊採用硅碳化合物SiC作為堆疊結構基底層，通過真空加熱使硅原子脫附，在基底層表面製備出石墨烯。隨後在同一真空容器內，利用分子束磊晶法（一種高品質薄膜製備技術）在石墨烯上生長出NbSe₂單層原子層。在此期間，精確控制生長溫度，成功製備出石墨烯晶軸與NbSe₂晶軸相互偏移的「扭轉堆疊」結構。
在設備間搬運樣品時若使樣品表面暴露於大氣中，表面會與空氣中的氧氣等反應並受到污染，為此研究團隊使用了可維持超高真空環境的「超高真空密封箱」，在完全不暴露於大氣的情況下移送樣品。正是通過這些多樣化技術的研發，才使得本實驗得以首次實現。
超導的產生，源於電子的兩兩配對（庫柏對）。將庫柏對拆解成普通電子需要能量，因此超導態下的低能量區域不存在電子（該能量區域即超導能隙）。STM/STS是觀測普通電子的方法，按理講以超導能隙內的能量即便進行實驗也觀測不到任何信號。然而，研究團隊在調查不同扭轉角的NbSe₂與石墨烯堆疊結構的電子態分佈時發現，當扭轉角為0°時，超導能隙內確無電子態；而在扭轉角為24°和28°的堆疊結構中，超導能隙內的能量區域也出現了微弱電子態，並呈現波痕狀空間圖案。
研究人員通過傅立葉轉換分析觀測到的空間圖案包含何種波長成分及其呈現方向，發現波長成分出現在既偏差NbSe₂晶軸又偏差石墨烯晶軸的扭轉方向上。
觀測到的波狀空間圖案，反映了電子作為量子力學波的性質。在晶體中，受週期性排列的原子核影響，電子的波長和行進方向受到限制。這種波長和行進方向取決於原子核的排列方式，因此不同物質的特性不同，正因如此，NbSe₂與石墨烯的電子分別具有不同的波長和行進方向。
然而，當研究人員對NbSe₂與石墨烯電子態進行理論計算分析後發現，特定堆疊扭轉角度可使兩者部分電子具有相同波長和行進方向。事實上，實驗得出的扭轉堆疊結構中的波長和行進方向與理論計算結果完全一致。該結果提示，非超導的石墨烯電子影響了NbSe₂的超導性，選擇性抑制了由波長和行進方向一致電子所形成的庫柏對。該結果提供了一種指定電子波長和行進方向來調控超導的新方法。
本次發現的成果也適用於NbSe₂與石墨烯堆疊結構之外的材料。利用磁性材料等具有其他功能的原子層材料，或許能製造出僅特定波長和行進方向電子具備磁性的獨特元件。此外，若進一步發展樣品製備技術，將扭轉堆疊層數增加至兩層、三層，實現複雜高級的堆疊結構，預計有助於發現此前未知的新奇超導現象和拓撲量子現象。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Nature Physics
論文：Superconductivity controlled by twist angle in monolayer NbSe₂ on graphene
DOI：10.1038/s41567-025-02828-6
