Quando si tratta di grafene, sembra che la superconduttività sia di famiglia.

Il grafene è un materiale sottile di un singolo atomo che può essere esfoliato dalla stessa grafite che si trova nella mina. Il materiale ultrasottile è costituito interamente da atomi di carbonio disposti in un semplice schema esagonale, simile a quello del filo di pollo. Dal suo isolamento nel 2004, si è scoperto che il grafene incorpora numerose proprietà notevoli nella sua forma a strato singolo.

Nel 2018, i ricercatori del MIT hanno scoperto che se due strati di grafene sono impilati con un angolo "magico" molto specifico, la struttura a doppio strato attorcigliata potrebbe mostrare una robusta superconduttività, uno stato materiale ampiamente ricercato in cui una corrente elettrica può fluire senza perdita di energia. Di recente, lo stesso gruppo ha scoperto che esiste uno stato superconduttivo simile nel grafene a tre strati contorto, una struttura composta da tre strati di grafene impilati con un nuovo angolo magico preciso.

Ora il team riferisce che, hai indovinato, quattro e cinque strati di grafene possono essere attorcigliati e impilati a nuovi angoli magici per suscitare una robusta superconduttività a basse temperature. Questa ultima scoperta, pubblicata questa settimana su Nature Materials , stabilisce le varie configurazioni contorte e impilate del grafene come la prima "famiglia" conosciuta di superconduttori multistrato ad angolo magico. Il team ha anche identificato somiglianze e differenze tra i membri della famiglia del grafene.

I risultati potrebbero servire come modello per la progettazione di superconduttori pratici a temperatura ambiente. Se le proprietà dei membri della famiglia potessero essere replicate in altri materiali naturalmente conduttivi, potrebbero essere sfruttati, ad esempio, per fornire elettricità senza dissipazione o costruire treni a levitazione magnetica che corrono senza attrito.

"Il sistema del grafene ad angolo magico è ora una 'famiglia' legittima, al di là di un paio di sistemi", afferma l'autore principale Jeong Min (Jane) Park, uno studente laureato presso il Dipartimento di Fisica del MIT. "Avere questa famiglia è particolarmente significativo perché fornisce un modo per progettare superconduttori robusti."

'Nessun limite'

Il gruppo di Jarillo-Herrero è stato il primo a scoprire il grafene ad angolo magico, sotto forma di una struttura a doppio strato di due fogli di grafene posti uno sopra l'altro e leggermente sfalsati con un angolo preciso di 1,1 gradi. Questa configurazione contorta, nota come superreticolo moiré, ha trasformato il materiale in un superconduttore forte e persistente a temperature ultrabasse.

I ricercatori hanno anche scoperto che il materiale esibiva un tipo di struttura elettronica nota come "banda piatta", in cui gli elettroni del materiale hanno la stessa energia, indipendentemente dalla loro quantità di moto. In questo stato di banda piatta ea temperature ultrafredde, gli elettroni normalmente frenetici rallentano collettivamente abbastanza da accoppiarsi in quelle che sono note come coppie di Cooper, ingredienti essenziali della superconduttività che possono fluire attraverso il materiale senza resistenza.

Mentre i ricercatori hanno osservato che il grafene a doppio strato contorto esibiva sia superconduttività che una struttura a banda piatta, non era chiaro se il primo derivasse dal secondo.

"Non c'era alcuna prova che una struttura a banda piatta portasse alla superconduttività", afferma Park. "Da allora altri gruppi hanno prodotto altre strutture contorte da altri materiali che hanno una banda piatta, ma in realtà non avevano una superconduttività robusta. Quindi ci siamo chiesti:potremmo produrre un altro dispositivo superconduttore a banda piatta?"

Mentre consideravano questa domanda, un gruppo dell'Università di Harvard ha derivato calcoli che hanno confermato matematicamente che tre strati di grafene, attorcigliati a 1,6 gradi, avrebbero mostrato anche bande piatte e hanno suggerito che potrebbero essere superconduttori. Hanno continuato dimostrando che non dovrebbe esserci limite al numero di strati di grafene che mostrano superconduttività, se impilati e attorcigliati nel modo giusto, ad angoli anche previsti. Infine, hanno dimostrato di poter mettere in relazione matematicamente ogni struttura multistrato con una struttura a banda piatta comune, una prova evidente che una banda piatta può portare a una superconduttività robusta.

"Hanno scoperto che potrebbe esistere questa intera gerarchia di strutture di grafene, a strati infiniti, che potrebbe corrispondere a un'espressione matematica simile per una struttura a banda piatta", afferma Park.

Poco dopo quel lavoro, il gruppo di Jarillo-Herrero ha scoperto che, in effetti, la superconduttività e una banda piatta sono emerse nel grafene a tre strati ritorto:tre fogli di grafene, impilati come un sandwich al formaggio, lo strato di formaggio centrale si è spostato di 1,6 gradi rispetto agli strati esterni a sandwich . Ma la struttura a tre strati mostrava anche sottili differenze rispetto alla sua controparte a doppio strato.

"Questo ci ha fatto chiedere, dove si adattano queste due strutture in termini di tutta la classe dei materiali e provengono dalla stessa famiglia?" dice Park.

Una famiglia non convenzionale

Nel presente studio, il team ha cercato di aumentare di livello il numero di strati di grafene. Hanno fabbricato due nuove strutture, composte rispettivamente da quattro e cinque strati di grafene. Ogni struttura è impilata alternativamente, in modo simile al sandwich di formaggio spostato di grafene a tre strati contorto.

Il team ha mantenuto le strutture in un frigorifero al di sotto di 1 kelvin (circa -273 gradi Celsius), ha fatto scorrere corrente elettrica attraverso ciascuna struttura e ha misurato l'output in varie condizioni, in modo simile ai test per i loro sistemi a doppio strato e tristrato.

Nel complesso, hanno scoperto che il grafene ritorto a quattro e cinque strati mostra anche una robusta superconduttività e una banda piatta. Le strutture condividevano anche altre somiglianze con la loro controparte a tre strati, come la loro risposta sotto un campo magnetico di forza, angolo e orientamento variabili.

Questi esperimenti hanno mostrato che le strutture di grafene ritorto potrebbero essere considerate una nuova famiglia o classe di comuni materiali superconduttori. Gli esperimenti hanno anche suggerito che potrebbe esserci una pecora nera nella famiglia:la struttura originale a doppio strato contorto, pur condividendo le proprietà chiave, mostrava anche sottili differenze rispetto ai suoi fratelli. Ad esempio, i precedenti esperimenti del gruppo hanno mostrato che la superconduttività della struttura si interrompeva sotto campi magnetici inferiori ed era più irregolare quando il campo ruotava, rispetto ai suoi fratelli multistrato.

Il team ha effettuato simulazioni di ogni tipo di struttura, cercando una spiegazione per le differenze tra i membri della famiglia. Hanno concluso che il fatto che la superconduttività del grafene a doppio strato ritorto si estingue in determinate condizioni magnetiche è semplicemente perché tutti i suoi strati fisici esistono in una forma "non specchiata" all'interno della struttura. In altre parole, non ci sono due strati nella struttura che sono speculari l'uno di fronte all'altro, mentre i fratelli multistrato del grafene mostrano una sorta di simmetria speculare. Questi risultati suggeriscono che il meccanismo che guida gli elettroni a fluire in uno stato superconduttivo robusto è lo stesso in tutta la famiglia del grafene contorto.

"Questo è abbastanza importante", osserva Park. "Senza saperlo, le persone potrebbero pensare che il grafene a doppio strato sia più convenzionale rispetto alle strutture multistrato. Ma mostriamo che l'intera famiglia potrebbe essere superconduttore non convenzionale e robusto". + Esplora ulteriormente

Superconduttività insolita osservata nel grafene a tre strati contorto