近年来，仅数个原子厚度的层状材料的制备技术取得了突破，获得广泛关注。这类原子层材料包括金属、磁性材料、超导体等多种具有不同物性的类型，而通过多层堆叠更可呈现全新物性。若堆叠时层间发生扭转，物性还可能产生急剧变化。然而，堆叠与扭转对电子态的影响，尤其是对超导现象的作用，此前一直难以通过实验进行调查，基本处于未知状态。
图1 扭转堆叠的超导态示意图（供图：理化学研究所）
图2石墨烯上NbSe₂的扭转堆叠
黑箭头与蓝箭头分别表示石墨烯与NbSe₂的晶轴，θ为石墨烯与NbSe₂晶轴的偏移角度。（供图：理化学研究所）
日本国立研究开发法人理化学研究所（简称“理研”）创发物性科学研究中心创发物性测量研究团队的成冢政裕研究员、町田理上级研究员、花栗哲郎团队负责人，与京都大学研究生院理学研究科的博士研究生浅野舜、柳濑阳一教授组成的联合团队发现，通过堆叠原子级厚度的超导体层状材料与其他原子层材料，并施加晶轴扭转，就能实现超导特性的控制。相关研究成果已发表在期刊《Nature Physics》上。
联合研究团队将原子层超导体NbSe₂（二硒化铌）与作为碳原子层材料而闻名的石墨烯进行堆叠扭转，并利用可描绘不同能量电子空间分布的扫描隧道显微镜法与光谱法（STM/STS），详细探究了扭转对超导态的影响。
理研自主开发了超低温环境下运行的扫描隧道显微镜，作为能够稳定实现STM/STS测量的装置，可在世界最低的0.09K温度以下运行。该温度显著低于原子层超导体NbSe₂的临界温度1～2K，可研究超导态的本质特性。
联合研究团队采用硅碳化合物SiC作为堆叠结构基板，通过真空加热使硅原子脱附，在基板表面制备出石墨烯。随后在同一真空容器内，利用分子束外延法（一种高品质薄膜制备技术）在石墨烯上生长出NbSe₂单层原子层。在此期间，精确控制生长温度，成功制备出石墨烯晶轴与NbSe₂晶轴相互偏移的“扭转堆叠”结构。
在设备间搬运样品时若使样品表面暴露于大气中，表面会与空气中的氧气等反应并受到污染，为此研究团队使用了可维持超高真空环境的“超高真空密封箱”，在完全不暴露于大气的情况下移送样品。正是通过这些多样化技术的研发，才使得本实验得以首次实现。
超导的产生，源于电子的两两配对（库珀对）。将库珀对拆解成普通电子需要能量，因此超导态下的低能量区域不存在电子（该能量区域即超导能隙）。STM/STS是观测普通电子的方法，按理讲以超导能隙内的能量即便进行实验也观测不到任何信号。然而，研究团队在调查不同扭转角的NbSe₂与石墨烯堆叠结构的电子态分布时发现，当扭转角为0°时，超导能隙内确无电子态；而在扭转角为24°和28°的堆叠结构中，超导能隙内的能量区域也出现了微弱电子态，并呈现涟漪状空间图案。
研究人员通过傅里叶变换分析观测到的空间图案包含何种波长成分及其呈现方向，发现波长成分出现在既偏离NbSe₂晶轴又偏离石墨烯晶轴的扭转方向上。
观测到的波状空间图案，反映了电子作为量子力学波的性质。在晶体中，受周期性排列的原子核影响，电子的波长和行进方向受到限制。这种波长和行进方向取决于原子核的排列方式，因此不同物质的特性不同，正因如此，NbSe₂与石墨烯的电子分别具有不同的波长和行进方向。
然而，当研究人员对NbSe₂与石墨烯电子态进行理论计算分析后发现，特定堆叠扭转角度可使两者部分电子具有相同波长和行进方向。事实上，实验得出的扭转堆叠结构中的波长和行进方向与理论计算结果完全一致。该结果提示，非超导的石墨烯电子影响了NbSe₂的超导性，选择性抑制了由波长和行进方向一致电子所形成的库珀对。该结果提供了一种指定电子波长和行进方向来调控超导的新方法。
本次发现的成果也适用于NbSe₂与石墨烯堆叠结构之外的材料。利用磁性材料等具有其他功能的原子层材料，或许能制造出仅特定波长和行进方向电子具备磁性的独特元件。此外，若进一步发展样品制备技术，将扭转堆叠层数增加至两层、三层，实现复杂高级的堆叠结构，预计有助于发现此前未知的新奇超导现象和拓扑量子现象。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Nature Physics
论文：Superconductivity controlled by twist angle in monolayer NbSe₂ on graphene
DOI：10.1038/s41567-025-02828-6
