Ordine nematico in grafene a doppio strato ritorto. Credito:Seiichiro Onari
I superconduttori sono materiali che conducono corrente elettrica praticamente senza alcuna resistenza elettrica. Questa capacità li rende estremamente interessanti e attraenti per una pletora di applicazioni come cavi di alimentazione senza perdite, motori elettrici e generatori, nonché potenti elettromagneti che possono essere utilizzati per l'imaging MRI e per i treni a levitazione magnetica. Ora, i ricercatori dell'Università di Nagoya hanno dettagliato la natura superconduttrice di una nuova classe di materiale superconduttore, il grafene a doppio strato contorto ad angolo magico.
Affinché un materiale si comporti come un superconduttore, sono necessarie basse temperature. La maggior parte dei materiali entra nella fase superconduttrice solo a temperature estremamente basse, come –270°C, che sono inferiori a quelle misurate nello spazio esterno. Ciò limita fortemente le loro applicazioni pratiche perché un raffreddamento così esteso richiede apparecchiature di raffreddamento a elio liquido molto costose e specializzate. Questo è il motivo principale per cui le tecnologie superconduttive sono ancora agli inizi.
I superconduttori ad alta temperatura (HTS), come alcuni esempi a base di ferro e rame, entrano nella fase superconduttrice al di sopra di –200°C, una temperatura che è più facilmente ottenibile utilizzando l'azoto liquido che raffredda un sistema a -195,8°C. Tuttavia, le applicazioni industriali e commerciali di HTS sono state finora limitate. I materiali HTS attualmente noti e disponibili sono materiali ceramici fragili che non sono malleabili e non possono essere trasformati in forme utili come i fili. Inoltre, sono notoriamente difficili e costosi da produrre. Ciò rende fondamentale la ricerca di nuovi materiali superconduttori e un forte fulcro della ricerca per fisici come il Prof. Hiroshi Kontani e il Dr. Seiichiro Onari del Dipartimento di Fisica dell'Università di Nagoya.
Recentemente, un nuovo materiale è stato proposto come potenziale superconduttore chiamato grafene a doppio strato contorto ad angolo magico (MATBG). In MATBG, due strati di grafene, essenzialmente singoli strati bidimensionali di carbonio disposti in un reticolo a nido d'ape, sono compensati da un angolo magico (circa 1,1 gradi) che porta alla rottura della simmetria rotazionale e alla formazione di una simmetria di ordine superiore noto come SU(4). Quando la temperatura cambia, il sistema subisce fluttuazioni quantistiche, come increspature dell'acqua nella struttura atomica, che portano a un nuovo cambiamento spontaneo nella struttura elettronica e a una riduzione della simmetria. Questa rottura della simmetria rotazionale è nota come stato nematico ed è stata strettamente associata alle proprietà superconduttive di altri materiali.
Nel loro lavoro pubblicato di recente in Physical Review Letters , il Prof. Kontani e il Dr. Onari utilizzano metodi teorici per comprendere meglio la fonte di questo stato nematico nel MATBG. "Poiché sappiamo che la superconduttività ad alta temperatura può essere indotta da fluttuazioni nematiche in sistemi elettronici fortemente correlati come i superconduttori a base di ferro, chiarire il meccanismo e l'origine di questo ordine nematico può portare alla progettazione e all'emergere di superconduttori a temperatura più elevata", spiega il dott. .Onari.
I ricercatori hanno scoperto che l'ordine nematico in MATBG ha origine dall'interferenza tra le fluttuazioni di un nuovo grado di libertà che combina i gradi di libertà della valle e i gradi di libertà di spin, qualcosa che non è stato riportato dai sistemi di elettroni convenzionali fortemente correlati. La temperatura di transizione superconduttiva del grafene a doppio strato ritorto è molto bassa, a 1K (–272°C), ma lo stato nematico riesce ad aumentarla di diversi gradi.
I loro risultati mostrano anche che sebbene MATBG si comporti in qualche modo come un superconduttore ad alta temperatura a base di ferro, ha anche alcune proprietà distinte che sono piuttosto eccitanti, come una corrente di anello di carica netta che dà origine a un campo magnetico in uno stato polarizzato a valle, mentre la corrente di anello viene annullata da ciascuna valle allo stato nematico. Inoltre, la malleabilità del grafene può anche svolgere un ruolo importante nell'aumentare le applicazioni pratiche di questi superconduttori. Con una migliore comprensione dei meccanismi alla base della superconduttività, la scienza e la tecnologia si avvicinano sempre più a un futuro conduttore che è davvero super.
The paper, "SU(4) Valley + Spin Fluctuation Interference Mechanism for Nematic Order in Magic-Angle Twisted Bilayer Graphene:The Impact of Vertex Corrections," was published in the journal Physical Review Letters on February 9, 2022. + Esplora ulteriormente
