I fisici del MIT hanno osservato segni di un raro tipo di superconduttività in un materiale chiamato grafene a tre strati ritorto ad angolo magico. In uno studio apparso in Natura , i ricercatori riferiscono che il materiale mostra superconduttività a campi magnetici sorprendentemente alti fino a 10 Tesla, che è tre volte superiore a quello che si prevede che il materiale resista se fosse un superconduttore convenzionale.

I risultati implicano fortemente che il grafene a tre strati ad angolo magico, che è stato inizialmente scoperto dallo stesso gruppo, è un tipo molto raro di superconduttore, noto come "tripletta di spin, " che è impermeabile ai campi magnetici elevati. Tali superconduttori esotici potrebbero migliorare notevolmente tecnologie come la risonanza magnetica, che utilizza fili superconduttori sotto un campo magnetico per risuonare e visualizzare i tessuti biologici. Le macchine per la risonanza magnetica sono attualmente limitate a campi magnetici da 1 a 3 Tesla. Se potessero essere costruiti con superconduttori a tripletto di spin, La risonanza magnetica potrebbe funzionare con campi magnetici più elevati per produrre immagini più nitide, immagini più profonde del corpo umano.

La nuova prova della superconduttività spin-tripletta nel grafene a tre strati potrebbe anche aiutare gli scienziati a progettare superconduttori più potenti per l'informatica quantistica pratica.

"Il valore di questo esperimento è ciò che ci insegna sulla superconduttività fondamentale, su come i materiali possono comportarsi, in modo che con quelle lezioni apprese, possiamo provare a progettare principi per altri materiali che sarebbero più facili da produrre, che forse potrebbe darti una migliore superconduttività, "dice Pablo Jarillo-Herrero, il Cecil e Ida Green Professore di Fisica al MIT.

I suoi coautori sul documento includono il postdoc Yuan Cao e lo studente laureato Jeong Min Park al MIT, e Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi del National Institute for Materials Science in Giappone.

Strano cambiamento

I materiali superconduttori sono definiti dalla loro capacità super efficiente di condurre elettricità senza perdere energia. Quando esposto a una corrente elettrica, gli elettroni in un superconduttore si accoppiano in "coppie Cooper" che poi viaggiano attraverso il materiale senza resistenza, come i passeggeri di un treno espresso.

Nella stragrande maggioranza dei superconduttori, queste coppie di passeggeri hanno rotazioni opposte, con un elettrone che gira, e l'altro verso il basso, una configurazione nota come "spin-singlet". Queste coppie sfrecciano allegramente attraverso un superconduttore, tranne in presenza di campi magnetici elevati, che può spostare l'energia di ciascun elettrone in direzioni opposte, separando la coppia. In questo modo, e attraverso meccanismi, campi magnetici elevati possono far deragliare la superconduttività nei tradizionali superconduttori spin-singlet.

"Questa è la ragione ultima per cui in un campo magnetico sufficientemente ampio, la superconduttività scompare, "Dice Parco.

Ma esiste una manciata di superconduttori esotici che sono impermeabili ai campi magnetici, fino a forze molto grandi. Questi materiali superconducono attraverso coppie di elettroni con lo stesso spin, una proprietà nota come "tripletta di spin". In caso di esposizione a campi magnetici elevati, l'energia di entrambi gli elettroni in una coppia di Cooper si sposta nella stessa direzione, in un modo che non vengano separati ma continuino a essere superconduttori imperturbabili, indipendentemente dall'intensità del campo magnetico.

Il gruppo di Jarillo-Herrero era curioso di sapere se il grafene a tre strati ad angolo magico potesse ospitare segni di questa più insolita superconduttività di tripletto di spin. Il team ha prodotto un lavoro pionieristico nello studio delle strutture moiré di grafene, strati di reticoli di carbonio sottili come un atomo che, quando impilati ad angoli specifici, può dar luogo a comportamenti elettronici sorprendenti.

I ricercatori hanno inizialmente riportato proprietà così curiose in due fogli angolati di grafene, che hanno soprannominato grafene a doppio strato ad angolo magico. Presto seguirono con test di grafene a tre strati, una configurazione a sandwich di tre fogli di grafene che si è rivelata persino più resistente della sua controparte a doppio strato, mantenendo la superconduttività a temperature più elevate. Quando i ricercatori hanno applicato un campo magnetico modesto, hanno notato che il grafene a tre strati era in grado di supercondurre a intensità di campo che avrebbero distrutto la superconduttività nel grafene a due strati.

"Abbiamo pensato, è qualcosa di molto strano, " dice Jarillo-Herrero.

Un super ritorno

Nel loro nuovo studio, i fisici hanno testato la superconduttività del grafene a tre strati sotto campi magnetici sempre più elevati. Hanno fabbricato il materiale staccando strati sottilissimi di carbonio da un blocco di grafite, impilando tre strati insieme, e ruotando quello centrale di 1,56 gradi rispetto agli strati esterni. Hanno attaccato un elettrodo a entrambe le estremità del materiale per far passare una corrente e misurare l'energia persa nel processo. Poi hanno acceso un grande magnete in laboratorio, con un campo che hanno orientato parallelamente al materiale.

Man mano che aumentavano il campo magnetico attorno al grafene a tre strati, hanno osservato che la superconduttività si è mantenuta forte fino a un certo punto prima di scomparire, ma poi è riapparso curiosamente a intensità di campo più elevate, un ritorno che è molto insolito e non è noto che si verifichi nei superconduttori di spin-single convenzionali.

"Nei superconduttori spin-singlet, se uccidi la superconduttività, non torna mai più, è andato per sempre, " dice Cao. "Ecco, è ricomparso di nuovo. Quindi questo dice sicuramente che questo materiale non è una canottiera".

Hanno anche osservato che dopo il "rientro, " la superconduttività persisteva fino a 10 Tesla, la massima intensità di campo che il magnete del laboratorio potrebbe produrre. Questo è circa tre volte superiore a quello che il superconduttore dovrebbe sopportare se fosse un convenzionale spin-singlet, secondo il limite di Pauli, una teoria che predice il campo magnetico massimo al quale un materiale può mantenere la superconduttività.

La ricomparsa della superconduttività del grafene a tre strati, accoppiato con la sua persistenza a campi magnetici più elevati del previsto, esclude la possibilità che il materiale sia un superconduttore comune. Anziché, è probabilmente un tipo molto raro, forse una tripletta di spin, ospitando coppie Cooper che sfrecciano attraverso il materiale, resistente a campi magnetici elevati. Il team prevede di approfondire il materiale per confermare il suo esatto stato di rotazione, che potrebbe aiutare a informare la progettazione di macchine per risonanza magnetica più potenti, e anche computer quantistici più robusti.

"Il calcolo quantistico regolare è estremamente fragile, " dice Jarillo-Herrero. "Lo guardi e, puf, scompare. Circa 20 anni fa, i teorici hanno proposto un tipo di superconduttività topologica che, se realizzato in qualsiasi materiale, potrebbe [abilitare] un computer quantistico in cui gli stati responsabili del calcolo sono molto robusti. Ciò darebbe infinitamente più potenza per eseguire i calcoli. L'ingrediente chiave per realizzare che sarebbero superconduttori di spin-tripletto, di un certo tipo. Non abbiamo idea se il nostro tipo è di quel tipo. Ma anche se non lo è, questo potrebbe rendere più facile mettere il grafene a tre strati con altri materiali per progettare quel tipo di superconduttività. Potrebbe essere una svolta importante. Ma è ancora molto presto".