L'anno scorso, gli scienziati hanno dimostrato che il grafene a doppio strato ritorto, un materiale costituito da due fogli di carbonio sottili come un atomo con una leggera torsione, può mostrare regioni superconduttive e isolanti alternate. Ora, un nuovo studio sulla rivista Natura da scienziati spagnoli, gli Stati Uniti., La Cina e il Giappone mostrano che la superconduttività può essere attivata o disattivata con un piccolo cambiamento di tensione, aumentando la sua utilità per i dispositivi elettronici.

"È una specie di santo graal della fisica creare un materiale con superconduttività a temperatura ambiente, Il fisico Allan MacDonald dell'Università del Texas ad Austin ha detto. "Quindi fa parte della motivazione di questo lavoro:comprendere meglio la superconduttività ad alta temperatura".

La scoperta è un progresso significativo in un campo emergente chiamato Twisttronics, i cui pionieri includono MacDonald e l'ingegnere Emanuel Tutuc, anche dall'Università del Texas ad Austin. Ci sono voluti diversi anni di duro lavoro da parte dei ricercatori di tutto il mondo per trasformare l'intuizione originale di MacDonald in materiali con queste strane proprietà, ma ne è valsa la pena aspettare.

Trovare la superconduttività in posti strani

Nel 2011, Mac Donald, un fisico teorico che usa la matematica quantistica e la modellazione al computer per studiare materiali bidimensionali, fatto una scoperta inaspettata. Insieme a Rafi Bistritzer, un ricercatore post-dottorato, stava lavorando alla costruzione di modelli semplici ma accurati di come si comportano gli elettroni in materiali 2-D impilati, materiali dello spessore di un atomo, quando uno strato è leggermente attorcigliato rispetto agli altri. Il problema apparentemente non calcolabile, MacDonald credeva, potrebbe essere notevolmente semplificato concentrandosi su un parametro chiave del sistema.

La strategia adottata da MacDonald e Bistritzer si è rivelata vincente. La sorpresa è arrivata dopo. Quando hanno applicato il loro metodo al grafene a doppio strato ritorto, un sistema costituito da due strati di atomi di carbonio, hanno scoperto che a un angolo molto specifico di circa 1,1 gradi - che hanno soprannominato "angolo magico" - gli elettroni si sono comportati in un modo strano e straordinario, improvvisamente muovendosi più di 100 volte più lentamente.

Perché questo fosse il caso e cosa avrebbe significato per la scienza ci sarebbero voluti anni per scoprirlo.

A breve termine, la scoperta è stata in gran parte ignorata o respinta. Il risultato sembrava troppo insolito per crederci. Inoltre, non era ovvio che creando un esempio fisico di un tale sistema, con un posizionamento così preciso dei fogli bidimensionali, era fisicamente realizzabile.

Ma non tutti erano increduli o intimiditi dai risultati. Alcuni sperimentalisti in tutto il mondo hanno preso atto della previsione pubblicata nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze e ha scelto di perseguire l'"angolo magico". Quando nel 2018, per la prima volta, i fisici del Massachusetts Institute of Technology hanno creato un sistema di grafene a strati attorcigliato di 1,1 gradi, hanno trovato, come aveva predetto MacDonald, che mostrava proprietà notevoli, in particolare, superconduttività a una temperatura sorprendentemente alta.

"Non c'è una semplice spiegazione del perché gli elettroni improvvisamente rallentano, " ha detto MacDonald. "Grazie al recente lavoro dei teorici di Harvard, ora c'è una spiegazione parziale relativa ai modelli spesso studiati nella fisica delle particelle elementari. Ma ora c'è un intero mondo di effetti correlati in diversi materiali 2-D a strati. Il grafene a doppio strato attorcigliato è solo una sbirciatina in una parte di esso".

I materiali superconduttori non hanno resistenza elettrica, permettendo agli elettroni di viaggiare all'infinito senza dissipare energia. Sono utilizzati nell'informatica quantistica e potrebbero cambiare le regole del gioco per la trasmissione elettrica se non richiedessero una costosa refrigerazione.

Scoperto per la prima volta nel 1911, la superconduttività è stata documentata in numerosi materiali. Però, tutti richiedono temperature estremamente basse per mantenere le loro caratteristiche distintive. L'emergere di materiali 2-D impilati potrebbe cambiare questa situazione.

La scoperta della superconduttività nel grafene a doppio strato attorcigliato ha da allora fornito carburante per un fiorente sottocampo con un nome accattivante—Twistronics—e una corsa per sviluppare ulteriormente la tecnologia.

Un decennio di studio dedicato

Fin dalla scoperta del grafene da parte di Andre Geim e Konstantin Novoselov all'Università di Manchester nel 2004 (che alla fine ha portato a un premio Nobel per la fisica nel 2010), MacDonald è stato affascinato da questi strani, sistemi bidimensionali e la nuova fisica che possono contenere.

Cominciò a studiare il materiale quasi subito e, dal 2004, ha utilizzato i supercomputer del Texas Advanced Computing Center (TACC) per esplorare la struttura elettronica del grafene e di altri materiali 2-D.

"Il mio lavoro consiste nel prevedere fenomeni insoliti che non sono mai stati visti prima, o cercando di capire fenomeni che non sono ben compresi, " ha detto MacDonald. "Sono attratto dalla teoria che si collega direttamente alle cose che accadono realmente, e sono interessato al potere della matematica e della teoria per descrivere il mondo reale".

Le strane proprietà dei materiali 2-D stratificati sembrano riguardare le interazioni, che diventano molto più cruciali quando gli elettroni rallentano, inducendo forti correlazioni tra i singoli elettroni. Tipicamente, gli elettroni girano quasi separatamente attorno al nucleo negli orbitali atomici, stabilendosi in stati quantistici con le energie più basse disponibili. Questo non sembra essere il caso del grafene ad angolo magico.

"Fondamentalmente, non può succedere nulla di molto interessante quando gli elettroni si organizzano come fanno in un atomo occupando gli orbitali a energia più bassa, " ha detto MacDonald. "Ma una volta che il loro destino è determinato dalle interazioni tra gli elettroni, allora possono succedere cose interessanti."

Come si fa a studiare cosa succede nei sistemi 2-D a strati, noti, tecnicamente, come le eterostrutture di van der Waals? "Vedere" gli elettroni in movimento è quasi impossibile. Le misurazioni forniscono indizi, ma i risultati sono obliqui e spesso controintuitivi. modelli informatici, MacDonald crede, può contribuire ad aggiungere al quadro emergente di elettroni confinati.

I modelli di computer che rappresentano la struttura elettronica classica sono ben sviluppati e molto accurati nella maggior parte dei casi, ma hanno bisogno di essere aggiustati di fronte alla strana fisica delle eterogiunzioni.

Alterare questi fattori significa riscrivere il modello prevalente per rispecchiare il comportamento degli elettroni che interagiscono fortemente, un compito su cui stanno attualmente lavorando MacDonald e i ricercatori del suo laboratorio, utilizzando il supercomputer Stampede2 di TACC, uno dei più potenti al mondo, per testare modelli ed eseguire simulazioni. Inoltre, è necessario includere un numero sempre maggiore di elettroni per replicare accuratamente i risultati che stanno emergendo dai laboratori di tutto il mondo.

"Il sistema reale ha miliardi di elettroni, " ha spiegato MacDonald. "A mano a mano che aumenti il ​​numero di elettroni, superi rapidamente le capacità di qualsiasi computer. Così, uno degli approcci che stiamo usando, nel lavoro condotto da Pawel Potasz, un visitatore dalla Polonia, è quello di risolvere il problema elettronico per piccoli numeri di elettroni ed estrapolare il comportamento a grandi numeri."

Applicare la teoria a sistemi mai visti prima

Mentre lavorava per ridisegnare modelli di strutture elettroniche e scalarli a un numero sempre maggiore di elettroni, MacDonald trova ancora il tempo per collaborare con gruppi sperimentali in tutto il mondo, aggiungendo le sue intuizioni teoriche e computazionali alle loro scoperte.

Per anni dopo la scoperta dell'angolo magico, le difficoltà pratiche nella creazione di forme pure di materiali 2-D stratificati con precisi angoli di rotazione limitavano il campo. Ma nel 2016 un altro ricercatore UT, Emanuele Tutuc, e il suo studente laureato, Kyounghwan Kim, sviluppato un metodo affidabile per creare tali sistemi, non solo usando il grafene, ma di un numero di diversi materiali 2-D.

"La svolta è stata davvero una tecnica introdotta dal mio studente, che consiste nel prendere un grande strato, dividendolo in due e prendendo un segmento e mettendolo sopra l'altro, " disse Tutu.

La ragione che non era stata implementata prima è che è molto difficile raccogliere un pezzo delle dimensioni di un micron di materiale dello spessore di un atomo. Kim ha inventato un appiccicoso, manico semisferico che può sollevare una singola scaglia, lasciando intatto tutto il resto nelle sue vicinanze.

"Una volta fatto, le possibilità divennero infinite, " continuò. "Non molto tempo dopo, lo stesso studente ha detto, 'OK, ora che possiamo allinearli con la massima precisione, andiamo avanti e li giriamo.' Quindi questo è stato il passo successivo".

Negli ultimi anni, MacDonald e il suo team hanno esplorato pile di tre, quattro o cinque strati di grafene, così come altri materiali promettenti, in particolare calcogenuri di metalli di transizione, alla ricerca di fenomeni insoliti e potenzialmente utili.

Scrivendo in Natura nel febbraio 2019, Mac Donald, tutù, UT Austin fisico Elaine Li, e un grande team internazionale ha descritto l'osservazione di eccitoni indiretti in un eterobistrato di diseleniuro di molibdeno/diseleniuro di tungsteno (MoSe2/WSe2) con un piccolo angolo di torsione.

Gli eccitoni sono quasiparticelle costituite da un elettrone e una lacuna che si attraggono e si mantengono in posizione. Questi di solito esistono all'interno di un singolo strato. Però, con alcuni materiali 2-D, è possibile che esistano su diversi livelli, che aumenta notevolmente la durata della loro esistenza. Ciò può consentire la superfluidità, il flusso senza ostacoli dei liquidi, una proprietà precedentemente vista solo nell'elio liquido.

Ora, MacDonald e una squadra dalla Spagna, Cina e Giappone hanno pubblicato uno studio in Natura del grafene ad angolo magico che ha mostrato che il materiale può esibire fasi alternate superconduttive e isolanti che possono essere attivate o disattivate con un piccolo cambiamento di tensione, simili alle tensioni utilizzate nei circuiti integrati, aumentando la sua utilità per i dispositivi elettronici. Per ottenere questo risultato, i membri del team dell'Istituto catalano di fisica ottica hanno prodotto superreticoli di grafene con torsioni più uniformi di quanto fosse possibile in precedenza. Così facendo, hanno scoperto che lo schema degli stati isolanti e superconduttori intercalati è ancora più intricato del previsto.

I supercomputer TACC sono uno strumento fondamentale nella ricerca di MacDonald e sono stati utilizzati per la modellazione teorica dei dati nel recente Natura carta.

"Molte delle cose che facciamo, non potremmo fare a meno di un computer ad alte prestazioni, " ha affermato. "Iniziamo in esecuzione su un desktop e poi ci impantaniamo rapidamente. Quindi molto spesso, usare un supercomputer fa la differenza tra essere in grado di ottenere una risposta soddisfacente e non essere in grado di ottenere una risposta soddisfacente."

Sebbene i risultati degli esperimenti computazionali possano sembrare meno immediati o "reali" di quelli in laboratorio, come ha dimostrato MacDonald, i risultati possono esporre nuove strade di esplorazione e aiutare a illuminare i misteri dell'universo.

"La cosa che ha energizzato il mio lavoro è che la natura pone sempre nuovi problemi. E quando fai un nuovo tipo di domanda, non sai in anticipo qual è la risposta, " ha detto MacDonald. "La ricerca è un'avventura, un'avventura comunitaria, una passeggiata collettiva casuale, per mezzo della quale la conoscenza avanza».