1911 рік. Камерлінг Оннес з Голландії охолоджує ртуть до мінус 269 градусів Цельсія і бачить щось неможливе: струм, який тече по колу вічно, без жодного опору, без нагрівання, без втрат. Він назвав це явище надпровідністю. Пройшло понад сто років, а фізики досі не можуть пояснити, чому вона взагалі існує. Але ось новий сюрприз: команда з Університету штату Огайо знайшла спосіб керувати цим феноменом не лише спостерігати, а впливати на нього, як вимикачем на стіні.
Причому зробила це матеріалом, який зовсім не схожий на те, що описували підручники.
Скручений графен
У центрі відкриття скручений двошаровий графен (twisted bilayer graphene). Уявіть два листи атомарно тонкого вуглецю, накладені один на одного і злегка повернуті під кутом близько 1,1 градуса. Цей крихітний зсув його навіть не видно неозброєним оком перетворює звичайний графен на об’єкт, де електрони втрачають індивідуальність і починають рухатися колективно, як рій птахів.
Поняття «магічного кута» з’явилося в науці лише кілька років тому. Коли два шари зміщені саме на 1,1 градуса, їхні енергетичні зони перетинаються особливим чином. Швидкість електронів падає в сотні разів, і вони перетворюються на так звані «плоскі зони», де взаємодія між частинками стає домінуючою. Тут народжуються надпровідність, магнетизм та інші квантові фази, які вчені досі не цілком розуміють.
Дослідниця Чан Нін (Джині) Лау, професорка фізики в Огайському університеті, вже понад десять років вивчає подібні системи. Її лабораторія спеціалізується на квантових матеріалах, де межа між теорією і експериментом стирається щодня. Цього разу команда вирішила піти далі, ніж будь-хто раніше: вони поєднали графен із стронцієвим титанатом синтетичною сполукою, яка за кристалічною структурою нагадує діамант, але володіє унікальними електричними властивостями.
Саме це поєднання дало вченим те, чого раніше не мав ніхто: можливість спостерігати за електронами в реальному часі та змінювати їхню поведінку, не торкаючись самого графену.
Електрони зазвичай відштовхуються один від одного, як однакові полюси магніту. Це одне з базових правил електродинаміки. Але в надпровідниках вони раптом утворюють пари і це дозволяє струму текти без будь-яких втрат енергії. Питання в тому, як змусити їх дружити.
«Електрони зазвичай відштовхуються один від одного, але в надпровідниках вони утворюють пари; це утворення пар є ключем до здатності надпровідника проводити електрику без дисипації», пояснює Лау. «Наші докази свідчать про те, що самі електрони, залежно від їхньої чутливості до оточення, несподівано важливі для змін у матеріалі».
Прихований перемикач
Головний сюрприз експерименту полягав не в тому, що надпровідність виникла а в тому, як легко нею можна маніпулювати. Змінюючи оточення матеріалу через підкладку з стронцієвого титанату, команда могла посилювати або послаблювати взаємодію між електронами. Ефект був настільки чітким, що вчені фактично вмикали та вимикали надпровідність, наче регулюючи гучність на пульті дистанційного керування.
Це принципово новий рівень контролю.
Раніше вважалося, що для керування надпровідністю потрібно змінювати температуру або тиск грубі інструменти, які важко точно дозувати. Підхід команди Лау відкриває шлях до тонкого налаштування, де самі електрони реагують на найменші зміни навколишнього середовища. Якщо раніше фізики крутили термостат, то тепер вони знайшли перемикач на самій субстанції.
Експеримент проводився при температурах близько мінус 273 градусів Цельсія майже абсолютний нуль. У таких умовах будь-який тепловий шум зникає, і електрони поводяться ідеально передбачувано. Команда вимірювала опір зразка з точністю до мільйонних часток ома, фіксуючи момент, коли він падає до нуля.
Злам правил
Але справжній шок чекав на вчених, коли вони почали посилювати певні параметри всередині матеріалу. Замість того щоб надпровідність ставала міцнішою, вона слабшала.
Такого не мало бути.
У класичних надпровідниках зменшення відштовхувальних сил між електронами завжди посилює ефект. Це аксіома, яку викладали в університетах десятиліттями. Чим менше електрони сваряться, тим краще вони співпрацюють. Тим не менш, скручений графен вирішив ігнорувати це правило. Чим більше команда «допомагала» електронам зближуватися, тим гірше працював ефект.
Це означає одне: ми маємо справу з цілком новим типом фізики, який не вкладається в існуючі теорії.
«Якби ви могли передавати електрику без втрат енергії, це було б надзвичайно важливо для технологій, які ми використовуємо щодня», каже Лау. «Незважаючи на фундаментальні питання, які ще потребують відповідей, ця робота фактично прокладає шлях до нового типу фізичного механізму».
Кімнатна температура
Найамбітніша мета в цій галузі створити надпровідник, який працює не за мінусових температур, а при кімнатній. Сьогоднішні матеріали потребують охолодження рідким гелієм або азотом, що робить їх дорогими та громіздкими. Якщо ж вдасться досягти «теплої» надпровідності, наслідки будуть революційними:
- Електромережі передача енергії на тисячі кілометрів без втрат, що заощадить мільярди кіловат-годин щорічно
- Квантові комп’ютери стабільніші кубіти, які не вимагатимуть гігантських охолоджувальних установок і зможуть працювати в офісах, а не лише в лабораторіях
- Медична діагностика МРТ-апарати стануть компактнішими та доступнішими, бо не потрібні дорогі магніти з кріогенним охолодженням
- Транспорт левітуючі потяги на магнітній подушці та надпровідні двигуни електромобілів із коефіцієнтом корисної дії, близьким до 100%
Звісно, від лабораторного зразка до промислового застосування шлях у десятиліття. Але кожен подібний прорив скорочує цю відстань. Попередні відкриття у світі скрученого графену вже змусили говорити про Нобелівську премію, а це дослідження додає новий акцент: людство отримує інструмент для програмування надпровідності замість пасивного очікування.
Як це працює
Технічно експеримент виглядав так: два шари графену, обернуті один відносно одного під «магічним кутом» близько 1,1 градуса, поміщали на підкладку з стронцієвого титанату. Цей кристал виступав не лише основою він став активним елементом, який змінював електричне оточення графену. Стронцієвий титанат це так званий квантовий параелектрик, речовина, яка залишається поляризованою навіть без зовнішнього електричного поля. Завдяки цьому він створює навколо графену унікальне середовище, де кулонівська взаємодія між електронами може бути точно відкалібрована. Фізики називають це «екрануванням» і вперше вони отримали його динамічний контроль.
Головний автор дослідження, аспірант Сюеші Гао, зазначає, що механізм надпровідності в їхній системі досі не до кінця зрозумілий. І це, парадоксально, гарна новина: коли експеримент випереджає теорію, теорія змушена наздоганяти і в цьому процесі народжуються найцікавіші відкриття.
«Механізм надпровідності в системі скрученого двошарового графену, який ми використовували, досі погано зрозумілий, каже Гао. Але наш результат може пролити світло та допомогти людям краще зрозуміти концепцію, застосовуючи її в майбутній роботі».
До команди також увійшли вчені з Іспанії Алехандро Хімено-Позо, П’єр Панталеон і Пако Гінеа з Imdea Nanoscience, а також Кенджі Ватанабе і Такаші Таніґуті з Національного інституту матеріалознавства Японії. Дослідження підтримали Міністерство енергетики США та Національний науковий фонд.
Що далі
Вчені обережні у прогнозах: це лише перший крок у розумінні складних електронних взаємодій. Наступні експерименти досліджуватимуть інші типи взаємодій і відповідатимуть на фундаментальні питання, які поставила ця робота. Зокрема, команда хоче з’ясувати, чи можна використати цей же принцип для інших матеріалів і чи вдасться підняти критичну температуру ближче до комфортних значень.
Але навіть на цьому етапі поле фізики реагує з ентузіазмом.
Ми звикли думати, що електрони це просто частинки, які несуть заряд. Це відкриття нагадує: вони також відчувають оточення, реагують на нього і в певних умовах готові об’єднуватися так, як не передбачала жодна формула. Людство лише починає розуміти, як розмовляти з ними їхньою мовою. А перше слово у цій розмові виявилося дивно простим: один крихітний поворот листа вуглецю і світ електрики змінюється назавжди.
Стаття опублікована у журналі Nature Physics 29 травня 2026 року під назвою «Double-edged role of interactions in superconducting twisted bilayer graphene».
Про автора
