Impila due strati di grafene, attorcigliati ad angoli leggermente diversi l'uno dall'altro, e il materiale diventa spontaneamente un superconduttore. La scienza non riesce ancora a spiegare come possa accadere qualcosa di così magico, ma i fisici usano attrezzature speciali per rivelare ciò che sta accadendo sotto la superficie.

La superconduttività è un argomento che ha incuriosito gli scienziati per generazioni, da quando è stato notato per la prima volta più di 100 anni fa, nel laboratorio di Leida del premio Nobel Heike Kamerlingh Onnes. Ha raffreddato il mercurio vicino allo zero assoluto e improvvisamente, ogni resistenza è scomparsa. Se introduci una corrente elettrica in un metallo così freddo, continuerà a fluire fino all'arresto del raffreddamento.

Raffreddare in questo caso significa una temperatura di circa 270 gradi sotto zero, la temperatura alla quale l'elio diventa liquido. Questo è complicato e costoso, quindi le applicazioni pratiche della superconduttività erano limitate ai magneti negli scanner MRI negli ospedali, finora.

Intanto, i fisici sono alla ricerca di superconduttori "caldi" che funzioneranno con meno raffreddamento. Per esempio, sono stati sviluppati materiali ceramici che sono superconduttori a meno 140. Questo è il progresso, ma non ci siamo ancora. Ci sono ancora molte domande senza risposta. Cosa succede esattamente all'interno di quei materiali è una di queste domande a cui i ricercatori di Leiden Tjerk Benschop e Sense Jan van der Molen sperano di trovare una risposta.

"La storia ci ha insegnato che una ricerca del genere può richiedere tempo, "dice Van der Molen, professore di Fisica della Materia Condensata. "Kamerlingh Onnes scoprì la superconduttività nel 1911, ma solo nel 1957 fu pubblicata una buona teoria esplicativa. E ancora non capiamo completamente quei nuovi superconduttori ceramici. È complicato, anche per i fisici. Questa è stata anche la premessa per la nostra collaborazione:prendiamo un materiale relativamente semplice con cui sperimentare:il grafene".

dottorato di ricerca candidato Tjerk Benschop:"La cosa interessante è che la transizione di fase alla superconduttività con il grafene è simile a quella dei superconduttori ceramici. L'idea è che studiando il grafene, possiamo saperne di più su ciò che accade in altri superconduttori.

Nuova svolta

Tutti hanno il grafene nelle loro case. Il nucleo di grafite di una matita è costituito da infiniti strati di grafene, in cui gli atomi di carbonio sono ordinatamente disposti in una struttura a nido d'ape. Van der Molen:"Il grafene a doppio strato ha caratteristiche particolari:puoi letteralmente dargli una nuova svolta. Se giri due strati di grafene con una leggera angolazione, improvvisamente ottieni un materiale superconduttore. E se aumenti l'angolo tra gli strati, quel fenomeno scompare. C'è un sacco di fisica complessa dietro a questo, e per certi versi è ancora difficile da spiegare".

Benschop:"Sembra un po' folle, ma con un angolo magico di 1,1 gradi, gli elettroni nei due strati iniziano a percepirsi maggiormente l'un l'altro; sono in grado di interagire. Ciò si traduce in caratteristiche uniche, uno dei quali è la superconduttività. È difficile spiegare perché è così, perché ci sono molti passaggi relativi alla fisica nel mezzo. Per esempio, stiamo parlando di bande di elettroni, qualcosa che è difficile da immaginare."

Fasce piatte

Un gruppo internazionale di ricercatori ha tracciato in dettaglio il sandwich di grafene superconduttore, utilizzando una serie di tecniche di misurazione. Hanno unito le competenze nel campo della superconduttività del supervisore di Benschop, Milano Allan, e il collega Felix Baumberger in Svizzera con la ricerca sul grafene di Van der Molen. "Se misuri in modo davvero accurato, puoi anche accertare la condizione degli elettroni nel materiale. Fino ad ora, nessuno era riuscito a dimostrare che gli elettroni sono più o meno immobili nell'angolo magico in quella che è nota come banda piatta. E c'è voluto un lavoro enorme".

Benschop:"A un certo punto, Ho sacrificato le mie vacanze di Natale per realizzare immagini di grafene contorto. La cosa difficile della mia tecnica è che puoi misurare con precisione solo se la superficie del grafene è scrupolosamente pulita. Stai scansionando con un ago microscopicamente piccolo sopra la superficie e se c'è anche una singola molecola di sporco da qualche parte, la tua misurazione fallisce. Questo mi ha causato un sacco di problemi all'inizio, scoprire cosa ha funzionato meglio un passo alla volta. Per una misurazione accurata, la superficie del grafene deve essere veramente pulita, quindi misuriamo in un ambiente ad altissimo vuoto, Per esempio. Ci sono meno particelle che galleggiano nella stanza di misurazione di quante ce ne siano nello spazio".

Momento Eureka

I minuscoli campioni di grafene a doppio strato attorcigliato sono stati realizzati da colleghi fisici a Barcellona, poiché è un'abilità a sé stante. "La cosa grandiosa della scienza è che incontri persone attraverso pubblicazioni e conferenze e trovi nuove idee insieme, "dice Van der Molen. "In questo caso, avevamo bisogno di quattro gruppi di ricerca per riuscire in questo".

"Dopo lunghi giorni in laboratorio, ripetendo pazientemente e migliorando, c'è stato finalmente un momento eureka, " Benschop ci dice. "Passi molto tempo a lavorare per questo, sperando che alla fine sarai in grado di ottenere una buona misurazione. È un momento così speciale quando vedi la struttura atomica del grafene apparire sullo schermo, con quel bel motivo che si abbina al corretto angolo di torsione."

Non appena i due strati di grafene si attorcigliano l'uno rispetto all'altro, una grande struttura a nido d'ape diventa improvvisamente visibile. È lo stesso effetto moiré che si crea spontaneamente quando si spostano due sottili strati di seta l'uno sull'altro. Van der Molen:"Quel modello non è solo un'illusione ottica; in realtà si verifica una nuova struttura che fornisce agli elettroni nuove aree in cui muoversi".

Ci saranno mai chip con grafene ad angolo magico nei computer o negli smartphone? Benschop non la pensa così. "La superconduttività si verifica nel grafene a meno 272 gradi, il che rende impossibile un'applicazione pratica poiché l'elio liquido è estremamente costoso. Soprattutto, stiamo imparando sempre di più su come si verifica la superconduttività e, si spera, questo fornirà idee per nuovi materiali che sono superconduttori a temperatura ambiente".

Lego

Secondo Van der Molen, il grafene a doppio strato è solo l'inizio. Il fatto è che ci sono molti altri appartamenti, materiali conduttori che possono anche essere impilati e attorcigliati. "Lo vedo come un Lego. Metti uno strato sopra l'altro e se c'è una forte interazione, si verifica un nuovo materiale con caratteristiche inaspettate. È un po' come combinare l'idrogeno con l'ossigeno per ottenere l'acqua, e dove il tutto è molto più grande della somma delle parti".

Un'altra opzione che Benschop è ansiosa di ricercare è la deformazione dei materiali a doppio strato poiché ciò modifica anche i modelli moiré e le caratteristiche elettriche. "In breve, ci sono moltissimi parametri con cui sperimentare, " dice Van der Molen. "C'è una previsione teorica che la temperatura per la superconduttività potrebbe essere facilmente più alta. Ma come ciò possa essere ottenuto è qualcosa di cui sappiamo troppo poco, come ancora. Questa è anche la parte migliore del nostro campo professionale:molte cose sono difficili da calcolare o prevedere, quindi sperimentare fa la differenza."