Se sovrapponi due strati di grafene uno sopra l'altro, e ruotarli di un angolo di 1,1º (né più né meno) l'uno dall'altro, il cosiddetto "angolo magico", ' esperimenti hanno dimostrato che il materiale può comportarsi come un isolante, dove non può circolare corrente elettrica, e allo stesso può anche comportarsi come un superconduttore, dove le correnti elettriche possono fluire senza resistenza.

Questa importante scoperta è avvenuta nel 2018. L'anno scorso, nel 2019, mentre i ricercatori dell'ICFO stavano migliorando la qualità del dispositivo utilizzato per replicare tali scoperte, si sono imbattuti in qualcosa di ancora più grande e totalmente inaspettato. Sono stati in grado di osservare uno zoo di stati superconduttori e correlati precedentemente non osservati, oltre a una serie completamente nuova di stati magnetici e topologici, aprendo un regno completamente nuovo di fisica più ricca.

Finora, non esiste una teoria che sia stata in grado di spiegare la superconduttività nel grafene ad angolo magico a livello microscopico. Però, questa scoperta ha innescato molti studi, che stanno cercando di capire e svelare la fisica dietro tutti questi fenomeni che si verificano in questo materiale. In particolare, gli scienziati hanno tracciato analogie con superconduttori non convenzionali ad alta temperatura:i cuprati, che detengono il record di temperature superconduttive più alte, solo 2 volte inferiore alla temperatura ambiente. Il loro meccanismo microscopico della fase superconduttiva non è ancora stato compreso, 30 anni dopo la sua scoperta. Però, in modo simile al grafene bistrato ritorto ad angolo magico (MATBG), si ritiene che una fase isolante sia responsabile della fase superconduttiva in prossimità di essa. Comprendere la relazione tra la fase superconduttiva e quella isolante è al centro dell'interesse del ricercatore, e potrebbe portare a un grande passo avanti nella ricerca sulla superconduttività.

In uno studio recentemente pubblicato su Natura , I ricercatori dell'ICFO Petr Stepanov, Ipsita Das, Xiaobo Lu, Frank H.L. Koppens, guidato dal Prof. ICFO Dmitri Efetov, in collaborazione con un gruppo interdisciplinare di scienziati del MIT, Istituto nazionale per la scienza dei materiali in Giappone, e l'Imperial College di Londra, hanno approfondito il comportamento fisico di questo sistema e riferiscono sui test dettagliati e sullo screening controllato dei dispositivi MATBG (Magic-Angle Twisted Bi-layer Graphene) con diversi angoli di torsione vicini all'angolo magico, per trovare una possibile spiegazione per gli stati citati.

Nel loro esperimento, erano in grado di controllare contemporaneamente la velocità e le energie di interazione degli elettroni, e quindi trasformare le fasi isolanti in fasi superconduttive. Normalmente, all'angolo magico, si forma uno stato isolante, poiché gli elettroni hanno velocità molto piccole, e in aggiunta, si respingono fortemente l'un l'altro attraverso la forza di Coulomb. In questo studio Stepanov e il team hanno utilizzato dispositivi con angoli di torsione leggermente lontani dall'angolo magico di 1,1° di ± 0,05°, e posizionati molto vicino a strati di schermatura metallici, separandoli di pochi nanometri isolando strati esagonali di nitruro di boro. Ciò ha permesso loro di ridurre la forza repulsiva tra gli elettroni e di accelerarli, permettendo loro di muoversi liberamente, sfuggire allo stato isolante.

Facendo così, Stepanov e colleghi hanno osservato qualcosa di abbastanza inaspettato. Modificando la tensione (densità di portante) nelle diverse configurazioni del dispositivo, la fase di superconduttività è rimasta mentre è scomparsa la fase di isolante correlata. Infatti, la fase superconduttiva si estendeva su regioni di densità più grandi anche quando la densità dei portatori variava. Tali osservazioni suggeriscono che invece di avere la stessa origine comune, la fase isolante e quella superconduttiva potrebbero effettivamente competere tra loro, il che mette in discussione la semplice analogia con i cuprati che si credeva in precedenza. Però, gli scienziati si sono presto resi conto che la fase superconduttiva poteva essere ancora più interessante, poiché si trova in prossimità di stati topologici, che si attivano per interazione elettronica ricorrente mediante l'applicazione di un campo magnetico.

Superconduttività con grafene ad angolo magico

La superconduttività a temperatura ambiente è la chiave per molti obiettivi tecnologici come l'efficiente trasmissione di potenza, treni senza attrito, o anche computer quantistici, tra gli altri. Quando scoperto più di 100 anni fa, la superconduttività era plausibile solo in materiali raffreddati a temperature prossime allo zero assoluto. Quindi, alla fine degli anni '80, gli scienziati hanno scoperto superconduttori ad alta temperatura utilizzando materiali ceramici chiamati cuprati. Nonostante la difficoltà di costruire superconduttori e la necessità di applicare condizioni estreme (campi magnetici molto forti) per studiare il materiale, il campo è decollato come una sorta di Santo Graal tra gli scienziati sulla base di questo progresso. Dall'anno scorso, l'eccitazione intorno a questo campo è aumentata. I doppi monostrati di carbonio hanno affascinato i ricercatori perché, a differenza dei cuprati, la loro semplicità strutturale è diventata un'eccellente piattaforma per esplorare la complessa fisica della superconduttività.