Illustrazione di un motivo moiré ottenuto sovrapponendo due reticoli quadrati con una torsione. Per alcuni angoli "commisurati", la struttura risultante è periodica e può essere generata assemblando zone quadrate ombreggiate una accanto all'altra come le piastrelle del pavimento. Credito:Can et al.
Materiali bidimensionali (2D), come grafene o dicalcogenuri di metalli di transizione, a volte possono essere assemblati in doppi strati con una torsione tra i singoli strati. Negli ultimi anni, molti ricercatori hanno studiato le proprietà di queste strutture a doppio strato attorcigliato e i loro potenziali vantaggi per la fabbricazione di dispositivi elettronici.
Un gruppo di ricerca dell'Università della Columbia Britannica a Vancouver ha recentemente condotto uno studio esplorando le proprietà degli ossidi di rame a doppio strato attorcigliato. Nella loro carta, pubblicato in Fisica della natura , prevedono che le strutture composte da due superconduttori a onda d sottili monostrato mostreranno una superconduttività topologica ad alta temperatura.
"Il grafene a doppio strato attorcigliato è stato un grande argomento di ricerca negli ultimi due anni, e stavamo pensando ad altri materiali 2D in cui si potesse applicare l'ingegneria dell'angolo di torsione, "Marcello Franz, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "L'obiettivo del nostro lavoro, però, era quello di scoprire una nuova fisica, non solo ripetere ciò che altri hanno fatto nel contesto del grafene. Dopo diverse false partenze, ci siamo concentrati sui superconduttori cuprati, che condividono alcune somiglianze con il grafene, come la struttura di base 2D e le eccitazioni di Dirac a bassa energia, ma sono anche, sotto molti aspetti, materiali molto diversi."
La differenza più notevole tra il grafene e i superconduttori a base di cuprato è che conducono elettricità senza resistenza alle alte temperature. Questa caratteristica potrebbe renderli probabilmente più adatti alla fabbricazione di superconduttori topologici.
Struttura cristallina semplificata del bilier Bi2Sr2CaCu2O8+δ ritorto. Un'importante manifestazione della superconduttività topologica è la presenza di "modalità edge" topologicamente protette, rappresentato come frecce rosse e verdi, che sono presenti in qualsiasi geometria con bordi. Credito:Can et al.
Nel loro studio, Franz e i suoi colleghi si sono concentrati in modo specifico sui materiali cuprati monostrato, come Bi 2 Sr 2 CaCu 2 oh 8+δ , che è noto per essere un cosiddetto superconduttore a onde d. Ciò significa essenzialmente che il suo parametro di ordine cambia segno su una rotazione di 90 gradi, proprio come un orbitale d in chimica.
"È questa proprietà superconduttiva del cuprato, fondata più di 20 anni fa, che sostiene l'emergere della superconduttività topologica in un doppio strato di tale materiale quando assemblato con una torsione, "Ha detto Franz. "Abbiamo costruito semplici modelli matematici che descrivono questa situazione e mostrano prove inequivocabili di una fase topologica robusta quando l'angolo di torsione è vicino a 45 gradi".
I superconduttori topologici sono estremamente rari, e i ricercatori hanno finora identificato solo una manciata di materiali che potrebbero essere classificati come tali. Inoltre, la maggior parte dei candidati superconduttori topologici finora identificati raggiunge lo stato topologico solo a temperature molto basse (cioè, inferiore a 1 grado Kelvin).
Franz e i suoi colleghi hanno modellato Bi . ritorto 2 Sr 2 CaCu 2 oh 8+δ materiali a doppio strato e ha scoperto che potrebbe raggiungere la fase topologica a temperature fino a 80 Kelvin. Il fatto che possa entrare in questa fase a temperature più elevate potrebbe avere notevoli vantaggi, in quanto potrebbe aprire nuove possibilità per lo studio della superconduttività topologica, potenzialmente consentendo lo sviluppo dei primi veri superconduttori topologici ad alta temperatura.
"Diversi laboratori in tutto il mondo, compresi i ricercatori del mio Stewart Blusson Quantum Matter Institute, stanno attualmente preparando campioni di cuprati ritorti ad alta temperatura e si stanno attrezzando per poter sondare le firme della sfuggente fase topologica, " ha detto Franz. "Il mio gruppo è impegnato in uno sforzo significativo volto a fornire supporto teorico a questi esperimenti e si scopre che sebbene lo stato topologico dovrebbe essere presente in modo robusto in questi campioni, le sue firme possono essere piuttosto sottili. Attraverso modelli teorici, ora stiamo lavorando per prevedere i comportamenti caratteristici di varie quantità misurabili sperimentalmente".
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