In materiali fortemente correlati come i superconduttori cuprati ad alta temperatura, la superconduttività può essere controllata modificando il numero di elettroni o modificando l'energia cinetica, o trasferire energia, di elettroni nel sistema. Sebbene un gran numero di materiali fortemente correlati siano stati esaminati con parametri diversi per comprendere il meccanismo della superconduttività, il range di controllo dei parametri è sempre limitato. Un metodo sperimentale versatile per ottenere il controllo simultaneo del numero e dell'energia di trasferimento degli elettroni è stato a lungo desiderato.

Un transistor elettrico flessibile a doppio strato (EDLT), o transistor "correlato", composto da un materiale organico fortemente correlato è stato costruito (Fig. 1) dai ricercatori del RIKEN, Istituto di Scienze Molecolari (IMS), Università di Nagoya e Università di Toho. Il numero di elettroni può essere controllato dalle tensioni di gate dell'EDLT, e l'energia di trasferimento degli elettroni può essere controllata piegando il substrato EDLT. Hanno scoperto che il sistema è cambiato da isolante a superconduttore in entrambi i casi di numero di elettroni crescente e decrescente. Condizioni per questi stati superconduttori nei due casi precedenti, però, risultarono essere fondamentalmente diversi. Inoltre, un altro stato superconduttore è emerso quando il substrato è stato piegato. Il presente risultato è stato pubblicato online su Progressi scientifici il 10 maggio, 2019.

I ricercatori hanno fabbricato l'EDLT utilizzando un cristallo di materiale organico fortemente correlato costituito da molecole di BEDT-TTF (bis(etilenditio)tetratiafulvalene) (Fig. 1). Applicando la tensione di gate sulla superficie del cristallo, il numero di elettroni può essere aumentato (doping elettronico) e diminuito (doping di lacune). Questo dispositivo EDLT è flessibile, e l'energia di trasferimento può essere controllata applicando una forza meccanica (deformazione) dal lato posteriore dell'EDLT. I ricercatori hanno controllato con successo la superconduttività in un campione identico, modificando con precisione sia la tensione di gate che la deformazione.

La Figura 2 mostra le regioni degli stati superconduttori. L'ascissa mostra la tensione di gate, che corrisponde al numero di elettroni drogati. L'ordinata mostra la deformazione applicata al dispositivo mediante flessione. Scendendo lungo l'ordinata, gli elettroni si muovono più facilmente perché l'energia cinetica degli elettroni aumenta. La regione dello stato isolante (rosso) è circondata dalle regioni degli stati superconduttori (blu). Due regioni superconduttrici dei lati sinistro e destro della regione isolante hanno una forma significativamente diversa in Fig. 2. In particolare lo stato superconduttore è apparso con un numero crescente di elettroni (il lato destro in Fig. 2) mostra un comportamento notevole che lo stato apparve improvvisamente con un aumento di qualche punto percentuale del numero di elettroni e scomparve con l'aggiunta di elettroni in eccesso. Gli stati superconduttori possono essere ottenuti sia aumentando che diminuendo il numero di elettroni. Però, le caratteristiche dei due stati risultano essere fondamentalmente differenti.

Il diagramma di fase bidimensionale (Fig. 2) è stato così ottenuto utilizzando il singolo campione. Il diagramma mostra la natura della transizione di fase superconduttiva, che è stato anticipato dai dati raccolti da molti campioni diversi prima della comparsa di questo dispositivo. Pertanto questo metodo sperimentale di nuova concezione accelera per ottenere i diagrammi di fase. Più fondamentalmente, disegnare il diagramma di fase completo dallo stesso campione ci consente di ottenere risultati più affidabili indipendentemente dagli effetti dell'impurezza e della differenza nelle strutture cristalline.

Questo metodo sperimentale può essere applicato a vari materiali organici fortemente correlati. Un esempio interessante è il liquido con spin quantistico in cui le direzioni degli spin degli elettroni si muovono casualmente anche a 0 Kelvin. Esperimenti sul liquido con spin quantistico riveleranno la relazione tra superconduttività e magnetismo (disposizione degli spin elettronici). È anche da notare che il diagramma di fase del sistema di elettroni fortemente correlato è un obiettivo significativo dei simulatori quantistici. Il presente risultato fornisce una possibile soluzione standard per quei metodi di calcolo di nuova concezione.