Negli ultimi decenni, enormi sforzi di ricerca sono stati spesi per l'esplorazione e la spiegazione dei superconduttori ad alta temperatura (alta Tc), una classe di materiali a resistenza nulla a temperature particolarmente elevate. Ora un team di scienziati degli Stati Uniti, Germania e Giappone spiegano in Natura come la struttura elettronica in grafene a doppio strato ritorto influenza l'emergere dello stato isolante in questi sistemi, che è il precursore della superconduttività nei materiali ad alta Tc.

Trovare un materiale superconduttore a temperatura ambiente porterebbe a una rivoluzione tecnologica, alleviare la crisi energetica (dato che al giorno d'oggi la maggior parte dell'energia viene persa lungo la strada dalla generazione all'utilizzo) e aumentare le prestazioni di elaborazione a un livello completamente nuovo. Però, nonostante i progressi compiuti nella comprensione di questi sistemi, una descrizione teorica completa è ancora sfuggente, lasciando la nostra ricerca della superconduttività a temperatura ambiente principalmente fortuita.

In un importante passo avanti scientifico nel 2018, È stato dimostrato che il grafene a doppio strato ritorto (TBLG) mostra fasi della materia simili a quelle di una certa classe di materiali superconduttori ad alta Tc, i cosiddetti cuprati ad alta Tc. Questo rappresenta una nuova incursione attraverso una configurazione sperimentale molto più pulita e controllabile.

Gli scienziati del Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD), Freie Universität Berlin (entrambe in Germania), Università della Columbia, il Center for Computational Quantum Physics presso il Flatiron Institute (entrambi negli Stati Uniti) e il National Institute for Materials Science in Giappone si sono concentrati sullo stato isolante di TBLG.

Questo materiale è costituito da due strati atomicamente sottili di grafene, impilati con una leggera angolazione l'uno rispetto all'altro. In questa struttura, lo stato isolante precede la fase superconduttiva ad alta Tc. Quindi, una migliore comprensione di questa fase e di ciò che conduce ad essa è cruciale per il controllo di TBLG.

Gli scienziati hanno utilizzato la microscopia a effetto tunnel e la spettroscopia (STM/STS) per studiare i campioni. Con questa tecnica microscopica, le superfici elettricamente conduttrici possono essere esaminate atomo per atomo. Utilizzando il metodo pionieristico "strappa e impila", hanno posizionato due strati atomicamente sottili di grafene uno sopra l'altro e li hanno ruotati leggermente. Quindi, il team ha mappato direttamente le proprietà strutturali ed elettroniche su scala atomica del materiale vicino all'"angolo magico" di circa 1,1°.

Le scoperte, che sono appena stati pubblicati in Natura , gettare nuova luce sui fattori che influenzano l'emergere della superconduttività in TBLG. Il team ha osservato che lo stato isolante, che precede lo stato superconduttore, appare ad un particolare livello di riempimento del sistema con elettroni. Ciò consente agli scienziati di stimare la forza e la natura delle interazioni tra gli elettroni in questi sistemi, un passo cruciale verso la loro descrizione.

In particolare, i risultati mostrano che due distinte singolarità di van Hove (vHs) nella densità locale degli stati appaiono vicine all'angolo magico che hanno una separazione dipendente dal drogaggio di 40-57 meV. Ciò dimostra chiaramente per la prima volta che la separazione vHs è significativamente maggiore di quanto si pensasse in precedenza. Per di più, il team mostra chiaramente che il vHs si divide in due picchi quando il sistema viene drogato vicino a metà del riempimento della banda Moiré. Questa scissione dipendente dal doping è spiegata da un gap indotto dalla correlazione, il che significa che in TBLG, l'interazione indotta da elettroni gioca un ruolo di primo piano.

Il team ha scoperto che il rapporto tra l'interazione di Coulomb e la larghezza di banda di ogni singolo vH è più cruciale per l'angolo magico rispetto alla separazione di vH. Ciò suggerisce che lo stato superconduttore vicino è guidato da un meccanismo di accoppiamento simile a Cooper basato su interazioni elettrone-elettrone. Inoltre, i risultati STS indicano un certo livello di nematicità elettronica (rottura spontanea della simmetria rotazionale del reticolo sottostante), molto simile a quello che si osserva nei cuprati vicino allo stato superconduttore.

Con questa ricerca, il team ha compiuto un passo cruciale verso la dimostrazione dell'equivalenza della fisica dei cuprati ad alto Tc e di quella dei materiali TBLG. Le intuizioni acquisite tramite TBLG in questo studio consentiranno quindi di approfondire la comprensione della superconduttività ad alta temperatura nei cuprati e porteranno a una migliore analisi del funzionamento dettagliato di questi affascinanti sistemi.

Il lavoro del team sulla natura degli stati superconduttori e isolanti osservati nei trasporti consentirà ai ricercatori di confrontare le teorie e, si spera, in definitiva comprendere il TBLG come un trampolino di lancio verso una descrizione più completa dei cuprati ad alto Tc. Nel futuro, questo aprirà la strada a un approccio più sistematico all'aumento delle temperature dei superconduttori in questi e in sistemi simili.