Nella primavera del 2018 la sorprendente scoperta della superconduttività in un nuovo materiale ha messo in fermento la comunità scientifica. Costruito sovrapponendo un foglio di carbonio sopra un altro e ruotando quello superiore con un angolo "magico", il materiale permetteva agli elettroni di fluire senza resistenza, una caratteristica che potrebbe aumentare notevolmente la trasmissione di energia efficiente dal punto di vista energetico e inaugurare una serie di nuove tecnologie.

Ora, nuovi esperimenti condotti a Princeton danno suggerimenti su come questo materiale, noto come grafene attorcigliato ad angolo magico, dia origine alla superconduttività. Nel numero di questa settimana della rivista Natura , I ricercatori di Princeton forniscono prove concrete che il comportamento superconduttore deriva da forti interazioni tra elettroni, fornendo approfondimenti sulle regole che gli elettroni seguono quando emerge la superconduttività.

"Questo è uno degli argomenti più scottanti della fisica, "ha detto Ali Yazdani, la classe del 1909 Professore di Fisica e autore senior dello studio. "Questo è un materiale incredibilmente semplice, solo due fogli di carbonio che infili uno sopra l'altro, e mostra la superconduttività."

Il modo esatto in cui sorge la superconduttività è un mistero che i laboratori di tutto il mondo stanno cercando di risolvere. Il campo ha anche un nome, "twitronics".

Parte dell'eccitazione è che, rispetto ai superconduttori esistenti, il materiale è abbastanza facile da studiare poiché ha solo due strati e un solo tipo di atomo:il carbonio.

"La cosa principale di questo nuovo materiale è che è un parco giochi per tutti questi tipi di fisica a cui le persone hanno pensato negli ultimi 40 anni, " ha detto B. Andrei Bernevig, un professore di fisica specializzato in teorie per spiegare materiali complessi.

La superconduttività nel nuovo materiale sembra funzionare con un meccanismo fondamentalmente diverso dai superconduttori tradizionali, che oggi vengono utilizzati in potenti magneti e altre applicazioni limitate. Questo nuovo materiale ha somiglianze a base di rame, i superconduttori ad alta temperatura scoperti negli anni '80 chiamati cuprati. La scoperta dei cuprati ha portato al Premio Nobel per la Fisica nel 1987.

Il nuovo materiale è costituito da due fogli di carbonio atomicamente sottili noti come grafene. Anche oggetto di un Premio Nobel per la Fisica, nel 2010, il grafene ha un motivo piatto a nido d'ape, come un foglio di rete metallica. A marzo 2018, Pablo Jarillo-Herrero e il suo team al Massachusetts Institute of Technology hanno posizionato un secondo strato di grafene sopra il primo, quindi ruotato il foglio superiore dell'angolo "magico" di circa 1,1 gradi. Questo angolo era stato previsto in precedenza dai fisici per causare nuove interazioni di elettroni, ma è stato uno shock quando gli scienziati del MIT hanno dimostrato la superconduttività.

Visto dall'alto, i motivi sovrapposti del filo di pollo danno un effetto tremolante noto come "moiré, " che sorge quando due motivi geometricamente regolari si sovrappongono, e che un tempo era popolare nei tessuti e nelle mode dei reali del XVII e XVIII secolo.

Questi motivi moiré danno origine a proprietà profondamente nuove non riscontrabili nei materiali ordinari. La maggior parte dei materiali ordinari rientra in uno spettro che va dall'isolante al conduttore. Gli isolanti intrappolano gli elettroni in sacche o livelli energetici che li tengono bloccati in posizione, mentre i metalli contengono stati energetici che consentono agli elettroni di fluttuare da un atomo all'altro. In entrambi i casi, gli elettroni occupano diversi livelli di energia e non interagiscono né si impegnano in comportamenti collettivi.

Nel grafene attorcigliato, però, la struttura fisica del reticolo moiré crea stati energetici che impediscono agli elettroni di separarsi, costringendoli a interagire. "Sta creando una condizione in cui gli elettroni non possono liberarsi l'uno dall'altro, e invece devono essere tutti a livelli di energia simili, che è la condizione primaria per creare stati altamente entangled, " ha detto Yazdani.

La domanda che i ricercatori si sono posti era se questo entanglement avesse qualche connessione con la sua superconduttività. Molti metalli semplici sono anche superconduttori, ma tutti i superconduttori ad alta temperatura scoperti fino ad oggi, compresi i cuprati, mostrano stati altamente entangled causati dalla repulsione reciproca tra gli elettroni. La forte interazione tra gli elettroni sembra essere la chiave per ottenere una superconduttività a temperatura più elevata.

Per rispondere a questa domanda, I ricercatori di Princeton hanno utilizzato un microscopio a scansione a effetto tunnel così sensibile da poter visualizzare singoli atomi su una superficie. Il team ha scansionato campioni di grafene attorcigliato ad angolo magico in cui controllava il numero di elettroni applicando una tensione a un elettrodo vicino. Lo studio ha fornito informazioni microscopiche sul comportamento degli elettroni nel grafene a doppio strato attorcigliato, mentre la maggior parte degli altri studi fino ad oggi ha monitorato solo la conduzione elettrica macroscopica.

Componendo il numero di elettroni a concentrazioni molto basse o molto alte, i ricercatori hanno osservato che gli elettroni si comportano in modo quasi indipendente, come farebbero nei metalli semplici. Però, alla concentrazione critica di elettroni in cui è stata scoperta la superconduttività in questo sistema, gli elettroni hanno mostrato improvvisamente segni di forte interazione ed entanglement.

Alla concentrazione in cui è emersa la superconduttività, il team ha scoperto che i livelli di energia degli elettroni sono diventati inaspettatamente ampi, segnali che confermano una forte interazione ed entanglement. Ancora, Bernevig ha sottolineato che mentre questi esperimenti aprono la porta a ulteriori studi, è necessario lavorare di più per comprendere in dettaglio il tipo di entanglement che si sta verificando.

"C'è ancora così tanto che non sappiamo su questi sistemi, " ha detto. "Non siamo neanche lontanamente vicini a raschiare la superficie di ciò che può essere appreso attraverso esperimenti e modelli teorici".

Hanno contribuito allo studio Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi del National Institute for Material Science in Giappone; studente laureato e primo autore Yonglong Xie, ricercatore post-dottorato Berthold Jäck, associato di ricerca post-dottorato Xiaomeng Liu, e lo studente laureato Cheng-Li Chiu nel gruppo di ricerca di Yazdani; e Biao Lian nel gruppo di ricerca di Bernevig.