La superficie di un tristrato di grafene, come ripreso da un microscopio a scansione a effetto tunnel. A causa della torsione di un secondo strato, l'altezza del tristrato viene modulata con un periodo di circa 9 nanometri. Credito:California Institute of Technology
La capacità di attivare e disattivare la superconduttività con un movimento letterale di un interruttore nel cosiddetto "grafene contorto ad angolo magico" ha consentito agli ingegneri del Caltech di osservare un fenomeno insolito che potrebbe gettare nuova luce sulla superconduttività in generale.
La ricerca, guidata da Stevan Nadj-Perge, assistente professore di fisica applicata e scienza dei materiali, è stata pubblicata sulla rivista Nature il 15 giugno.
Il grafene contorto ad angolo magico, scoperto per la prima volta nel 2018, è costituito da due o tre fogli di grafene (una forma di carbonio costituita da un singolo strato di atomi in un reticolo a nido d'ape) sovrapposti, con ogni foglio attorcigliato a esattamente 1,05 gradi rispetto a quello sottostante. Il doppio strato o tristrato risultante ha proprietà elettroniche insolite:ad esempio, può essere trasformato in un isolante o in un superconduttore a seconda di quanti elettroni vengono aggiunti.
I superconduttori sono materiali che presentano uno stato elettronico peculiare in cui gli elettroni possono fluire liberamente attraverso i materiali senza resistenza, il che significa che l'elettricità scorre attraverso di essi senza alcuna perdita di energia per riscaldarsi. Tale trasmissione iperefficiente di elettricità ha infinite potenziali applicazioni nei campi dell'informatica, dell'elettronica e altrove.
Tuttavia, il problema con i superconduttori è che nella maggior parte dei materiali avviene a temperature estremamente basse, di solito solo pochi gradi sopra lo zero assoluto (-273,15 gradi Celsius). A tali temperature, gli elettroni formano coppie che si comportano in modo fondamentalmente diverso rispetto ai singoli elettroni e si condensano in uno stato quantomeccanico che consente alle coppie di elettroni di fluire senza essere disperse.
La superconduttività è stata scoperta per la prima volta più di un secolo fa, ma gli scienziati non comprendono ancora appieno i meccanismi precisi alla base della formazione di coppie di elettroni per alcuni materiali. Nei superconduttori convenzionali, come l'alluminio metallico, è ben chiaro che l'attrazione tra gli elettroni che porta alla formazione di coppie di elettroni è dovuta all'interazione degli elettroni con il reticolo cristallino del materiale. Il comportamento di questi materiali è descritto utilizzando la teoria Bardeen–Cooper–Schrieffer (BCS), dal nome di John Bardeen, Leon Cooper e John Robert Schrieffer, che hanno condiviso il Premio Nobel per la fisica nel 1972 per lo sviluppo della teoria.
Durante lo studio di tristrati di grafene attorcigliati ad angolo magico, Nadj-Perge e i suoi colleghi hanno scoperto che la superconduttività in questo materiale mostra diverse proprietà molto insolite che non possono essere descritte utilizzando la teoria BSC, rendendolo probabilmente anche un superconduttore non convenzionale.
Hanno misurato l'evoluzione del cosiddetto gap superconduttore quando gli elettroni vengono rimossi dal tristrato con la semplice rotazione di un interruttore per attivare o disattivare un campo elettrico. Il gap superconduttore è una proprietà che descrive quanto sia difficile aggiungere o rimuovere singoli elettroni in un superconduttore. Poiché gli elettroni in un superconduttore vogliono essere accoppiati, è necessaria una certa quantità di energia per rompere quelle coppie. Tuttavia, la quantità di energia può essere diversa per le coppie che si muovono in direzioni diverse rispetto al reticolo cristallino. Di conseguenza, lo "spazio" ha una forma specifica che è determinata dalla probabilità che le coppie vengano rotte da una particolare quantità di energia.
"Sebbene i superconduttori siano in circolazione da molto tempo, una caratteristica straordinariamente nuova nei doppi strati e tristrati di grafene ritorto è che la superconduttività in questi materiali può essere attivata semplicemente attraverso l'applicazione di una tensione su un elettrodo vicino", afferma Nadj-Perge, corrispondente autore della Natura carta. "Un campo elettrico aggiunge o rimuove in modo efficace elettroni extra. Funziona in modo molto simile a come la corrente è controllata nei transistor convenzionali, e questo ci ha permesso di esplorare la superconduttività in modi che non si possono fare con altri materiali."
Il team ha stabilito che nei tristrati intrecciati sono presenti due regimi di superconduttività con profili di gap superconduttori di forma diversa. Mentre uno dei regimi può forse essere spiegato con una teoria che è in una certa misura simile a BCS, la presenza di due regimi mostra che all'interno della fase di superconduzione è probabile che si verifichi un'ulteriore transizione. Questa osservazione, insieme alle misurazioni effettuate a varie temperature e campi magnetici, indica la natura non convenzionale della superconduttività nei tristrati.
Le nuove intuizioni del team di Nadj-Perge forniscono indizi essenziali per le future teorie della superconduttività nei multistrati di grafene contorto. Nadj-Perge osserva che sembra che più strati rendano la superconduttività più robusta pur rimanendo altamente sintonizzabile, una proprietà che apre varie possibilità di utilizzare tristrati intrecciati per dispositivi superconduttori che un giorno potrebbero essere utilizzati nella scienza quantistica e forse nell'elaborazione quantistica delle informazioni.
"Oltre alle sue implicazioni fondamentali per la nostra comprensione della superconduttività, è straordinario che l'aggiunta di un ulteriore strato di grafene abbia facilitato lo studio delle proprietà dei superconduttori. In definitiva questo è ciò che ha consentito le nostre scoperte", afferma Nadj-Perge.
L'articolo è intitolato "Evidence of unconventional superconductivity in twisted trilayer graphene". + Esplora ulteriormente
