Visto dall'alto, il grafene a doppio strato ad angolo magico ricorda un motivo noto come moiré per la sua somiglianza con un tessuto francese. Credito:laboratorio Yazdani all'Università di Princeton.
Posiziona un singolo foglio di carbonio sopra un altro con una leggera angolazione ed emergono proprietà notevoli, compreso il prezioso flusso di corrente privo di resistenza noto come superconduttività.
Ora un team di ricercatori di Princeton ha cercato le origini di questo comportamento insolito in un materiale noto come grafene a doppio strato ritorto ad angolo magico, e ha rilevato le firme di una cascata di transizioni energetiche che potrebbero aiutare a spiegare come nasce la superconduttività in questo materiale. Il documento è stato pubblicato online l'11 giugno sulla rivista Natura .
"Questo studio mostra che gli elettroni nel grafene ad angolo magico sono in uno stato altamente correlato anche prima che il materiale diventi superconduttore, "ha detto Ali Yazdani, Classe 1909 Professore di Fisica, il capo della squadra che ha fatto la scoperta. "L'improvviso cambiamento di energia quando aggiungiamo o rimuoviamo un elettrone in questo esperimento fornisce una misurazione diretta della forza dell'interazione tra gli elettroni".
Questo è significativo perché questi salti di energia forniscono una finestra sui comportamenti collettivi degli elettroni, come la superconduttività, che emergono in grafene a doppio strato attorcigliato ad angolo magico, un materiale composto da due strati di grafene in cui il foglio superiore è ruotato di un leggero angolo rispetto all'altro.
Nei metalli di tutti i giorni, gli elettroni possono muoversi liberamente attraverso il materiale, ma le collisioni tra gli elettroni e le vibrazioni degli atomi danno luogo a resistenza e alla perdita di energia elettrica sotto forma di calore, motivo per cui i dispositivi elettronici si riscaldano durante l'uso.
Nei materiali superconduttori, gli elettroni cooperano. "Gli elettroni stanno ballando l'uno con l'altro, " disse Biao Lian, un ricercatore associato post-dottorato presso il Princeton Center for Theoretical Science che diventerà un assistente professore di fisica questo autunno, e uno dei co-primi autori dello studio. "Devono collaborare per entrare in uno stato così straordinario."
Con alcune misure, grafene ad angolo magico, scoperto due anni fa da Pablo Jarillo-Herrero e dal suo team al Massachusetts Institute of Technology (MIT), è uno dei superconduttori più potenti mai scoperti. La superconduttività è relativamente robusta in questo sistema anche se si verifica quando ci sono pochissimi elettroni che si muovono liberamente.
I ricercatori hanno deciso di esplorare come la struttura cristallina unica del grafene ad angolo magico consente comportamenti collettivi. Gli elettroni non hanno solo una carica negativa, ma anche altre due caratteristiche:momento angolare o "spin, " e possibili movimenti nella struttura cristallina noti come stati di "valle". Combinazioni di spin e valle costituiscono i vari "sapori" degli elettroni.
Il team voleva sapere in particolare come questi sapori influenzano i comportamenti collettivi, così hanno condotto i loro esperimenti a temperature appena al di sopra del punto in cui gli elettroni interagiscono fortemente, che i ricercatori hanno paragonato alla fase genitore dei comportamenti.
"Abbiamo misurato la forza tra gli elettroni nel materiale a temperature più elevate nella speranza che comprendere questa forza ci aiuti a capire il superconduttore che diventa a temperature più basse, " ha detto Dillon Wong, ricercatore post-dottorato presso il Princeton Center for Complex Materials e co-primo autore.
Hanno usato uno strumento chiamato microscopio a scansione a effetto tunnel, in cui una punta di metallo conduttivo può aggiungere o rimuovere un elettrone dal grafene ad angolo magico e rilevare lo stato energetico risultante di quell'elettrone.
Poiché gli elettroni che interagiscono fortemente resistono all'aggiunta di un nuovo elettrone, costa un po' di energia per aggiungere l'elettrone aggiuntivo. I ricercatori possono misurare questa energia e da essa determinare la forza della forza di interazione.
Una cascata di cambiamenti nelle proprietà elettroniche del grafene ad angolo magico viene osservata mediante microscopia a effetto tunnel a scansione ad alta risoluzione in funzione della tensione applicata, che sintonizza il riempimento dell'elettrone tra completamente occupato (v =4) e vuoto (v =-4). Credito:laboratorio Yazdani presso l'Università di Princeton
"Sto letteralmente inserendo un elettrone e vedo quanta energia costa spingere questo elettrone nel bagno cooperativo, "ha detto Kevin Nuckolls, uno studente laureato presso il Dipartimento di Fisica, anche co-primo autore.
Il team ha scoperto che l'aggiunta di ciascun elettrone ha causato un salto nella quantità di energia necessaria per aggiungerne un altro, cosa che non sarebbe avvenuta se gli elettroni fossero stati in grado di entrare nel cristallo e poi muoversi liberamente tra gli atomi. La risultante cascata di transizioni energetiche è il risultato di un salto di energia per ciascuno dei sapori degli elettroni, poiché gli elettroni devono assumere lo stato energetico più basso possibile pur non essendo della stessa energia e dello stesso sapore degli altri elettroni nella stessa posizione nel cristallo .
Una domanda chiave nel campo è come la forza delle interazioni tra gli elettroni si confronta con i livelli di energia che gli elettroni avrebbero avuto in assenza di tali interazioni. Nei superconduttori più comuni e a bassa temperatura, questa è una piccola correzione, ma in rari superconduttori ad alta temperatura, si ritiene che le interazioni tra gli elettroni cambino drasticamente i livelli di energia degli elettroni. La superconduttività in presenza di un'influenza così drammatica delle interazioni tra gli elettroni è molto poco conosciuta.
Le misurazioni quantitative degli spostamenti improvvisi rilevati dai ricercatori confermano il quadro secondo cui il grafene ad angolo magico appartiene alla classe dei superconduttori con forte interazione tra gli elettroni.
Il grafene è uno strato sottile di un singolo atomo di atomi di carbonio, quale, a causa delle proprietà chimiche del carbonio, si dispongono in un reticolo piatto a nido d'ape. I ricercatori ottengono il grafene prendendo un sottile blocco di grafite, lo stesso carbonio puro usato nelle matite, e rimuovendo lo strato superiore usando del nastro adesivo.
Quindi impilano due strati sottili come un atomo e ruotano lo strato superiore di esattamente 1,1 gradi, l'angolo magico. In questo modo il materiale diventa superconduttore, o raggiungere insolite proprietà isolanti o magnetiche.
"Se sei a 1,2 gradi, è cattivo. Suo, è solo un metallo blando. Non sta succedendo niente di interessante. Ma se sei a 1,1 gradi, vedi tutto questo comportamento interessante, "Ha detto Nuckoll.
Questo disallineamento crea una disposizione nota come motivo moiré per la sua somiglianza con un tessuto francese.
Per condurre gli esperimenti, i ricercatori hanno costruito un microscopio a scansione a effetto tunnel nel seminterrato dell'edificio di fisica di Princeton, Jadwin Hall. Così alto che occupa due piani, il microscopio si trova su una lastra di granito, che galleggia su molle ad aria. "Dobbiamo isolare l'attrezzatura in modo molto preciso perché è estremamente sensibile alle vibrazioni, " disse Myungchul Oh, un associato di ricerca post-dottorato e co-primo autore.
Dillon Wong, Kevin Nuckolls, Myungchul Oh, e Biao Lian hanno contribuito in egual modo al lavoro.
Ulteriori contributi sono stati forniti da Yonglong Xie, che ha conseguito il dottorato di ricerca nel 2019 ed è ora ricercatore post-dottorato presso la Harvard University; Sangjun Jeon, che ora è assistente alla Chung-Ang University di Seoul; Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi del National Institute for Material Science (NIMS) in Giappone; e Princeton Professore di Fisica B. Andrei Bernevig.
Una simile cascata di transizioni di fase elettroniche è stata notata in un articolo pubblicato contemporaneamente in Natura l'11 giugno da un team guidato da Shahal Ilani presso il Weizmann Institute of Science in Israele e con Jarillo-Herrero e colleghi del MIT, Takashi Taniguchi e Kenji Watanabe del NIMS Japan, e ricercatori della Libera Università di Berlino.
"Il team di Weizmann ha osservato le stesse transizioni che abbiamo fatto con una tecnica completamente diversa, " Ha detto Yazdani. "È bello vedere che i loro dati sono compatibili sia con le nostre misurazioni che con la nostra interpretazione".
Lo studio, "Cascata di transizioni elettroniche in grafene a doppio strato ritorto ad angolo magico, " di Dillon Wong, Kevin P. Nuckolls, Myungchul Oh, Biao Lian, Yonglong Xie, Sangjun Jeon, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, B. Andrei Bernevig, e Ali Yazdani, è stato pubblicato l'11 giugno sulla rivista Natura .
