Nel 2018, il mondo della fisica è stato infiammato dalla scoperta che quando uno strato ultrasottile di carbonio, chiamato grafene, è impilato e attorcigliato in un "angolo magico, " quella nuova struttura a doppio strato si converte in un superconduttore, permettendo all'elettricità di fluire senza resistenza o spreco di energia. Ora, in una svolta letterale, Gli scienziati di Harvard hanno ampliato quel sistema superconduttore aggiungendo un terzo strato e ruotandolo, aprendo la porta a continui progressi nella superconduttività a base di grafene.

Il lavoro è descritto in un nuovo documento in Scienza e un giorno può aiutare a condurre verso superconduttori che operano a temperature più elevate o addirittura vicine alla temperatura ambiente. Questi superconduttori sono considerati il ​​Santo Graal della fisica della materia condensata poiché consentirebbero enormi rivoluzioni tecnologiche in molte aree, tra cui la trasmissione di elettricità, trasporto, e informatica quantistica. La maggior parte dei superconduttori oggi, compresa la struttura a doppio strato di grafene, lavorare solo a temperature ultrafredde.

"La superconduttività nel grafene attorcigliato fornisce ai fisici un sistema modello controllabile sperimentalmente e teoricamente accessibile in cui possono giocare con le proprietà del sistema per decodificare i segreti della superconduttività ad alta temperatura, " ha detto uno dei co-autori del giornale Andrew Zimmerman, un ricercatore post-dottorato nel lavoro nel laboratorio del fisico di Harvard Philip Kim.

Il grafene è uno strato di atomi di carbonio dello spessore di un atomo, 200 volte più resistente dell'acciaio, ma estremamente flessibile e più leggero della carta. È quasi sempre noto per essere un buon conduttore di calore e corrente elettrica, ma è notoriamente difficile da maneggiare. Gli esperimenti per sbloccare il puzzle del grafene a doppio strato contorto sono in corso da quando il fisico del MIT Pablo Jarillo-Herrero e il suo gruppo hanno aperto la strada al campo emergente della "twistronics" con il loro esperimento nel 2018 in cui hanno prodotto il superconduttore di grafene ruotandolo a un angolo magico di 1,1 gradi .

Gli scienziati di Harvard riferiscono di aver impilato con successo tre fogli di grafene e poi ruotati ciascuno di essi con quell'angolo magico per produrre una struttura a tre strati che non solo è capace di superconduttività, ma lo fa in modo più robusto e a temperature più elevate rispetto a molti dei doppi impilati. grafene. Il nuovo e migliorato sistema è anche sensibile a un campo elettrico applicato esternamente che consente loro di regolare il livello di superconduttività regolando l'intensità di quel campo.

"Ci ha permesso di osservare il superconduttore in una nuova dimensione e ci ha fornito importanti indizi sul meccanismo che sta guidando la superconduttività, " ha detto l'altro autore principale dello studio Zeyu Hao, un dottorato di ricerca studente della Graduate School of Arts and Sciences che lavora anche nel Kim Group.

Uno di questi meccanismi ha davvero entusiasmato i teorici. Il sistema a tre strati ha mostrato prove che la sua superconduttività è dovuta a forti interazioni tra elettroni rispetto a quelli deboli. Se è vero, questo può non solo aiutare ad aprire un percorso verso la superconduttività ad alta temperatura, ma anche possibili applicazioni nell'informatica quantistica.

"Nella maggior parte dei superconduttori convenzionali, gli elettroni si muovono ad alta velocità e occasionalmente si incrociano e si influenzano a vicenda. In questo caso, diciamo che i loro effetti di interazione sono deboli, "ha detto Eslam Khalaf, un co-autore dello studio e borsista post-dottorato che lavora nel laboratorio del professore di fisica di Harvard Ashvin Vishwanath. "Mentre i superconduttori che interagiscono debolmente sono fragili e perdono la superconduttività quando vengono riscaldati a pochi Kelvin, i superconduttori ad accoppiamento forte sono molto più resistenti ma molto meno compresi. La realizzazione di una superconduttività di accoppiamento forte in un sistema semplice e sintonizzabile come il trilayer potrebbe aprire la strada allo sviluppo finale di una comprensione teorica dei superconduttori fortemente accoppiati per aiutare a realizzare l'obiettivo di un'alta temperatura, magari anche a temperatura ambiente, superconduttore."

I ricercatori hanno in programma di continuare a esplorare la natura di questa insolita superconduttività in ulteriori studi.

"Più comprendiamo, migliore è la possibilità di aumentare le temperature di transizione dei superconduttori, " ha detto Kim.