Schema per la geometria a doppio strato utilizzata per studiare l'influenza dello screening Coulomb sul grafene a tre strati contorto. In questo schema, il grafene a tre strati contorto (strati blu e rosso) è separato dal grafene a doppio strato bernale (doppio strato nero) da un sottile isolante (trascurato per chiarezza) che ha uno spessore di 2 nm. L'intera struttura è incapsulata con due elettrodi gate di grafite nella parte superiore e inferiore, per fornire la capacità di regolare la densità in ciascuno strato in modo indipendente. Credito:Liu et al.
Negli ultimi anni, fisici e scienziati dei materiali hanno scoperto diverse nuove piattaforme per lo studio delle fasi correlate della materia, come la superconduttività e la fase dell'isolante correlata. Tra questi c'è il grafene a tre strati contorto ad angolo magico, un superconduttore scoperto da un team di ricerca presso il Massachusetts Institute of Technology. Questo materiale è costituito da tre fogli di grafene impilati insieme, con un disallineamento rotazionale di circa 1,5 gradi.
Studi precedenti hanno scoperto che il grafene a tre strati contorto ad angolo magico mostra superconduttività a campi magnetici notevolmente elevati, molto più alti di quelli che sarebbe in grado di sopportare se fosse un superconduttore convenzionale. Sebbene la superconduttività di questo materiale sia ora ampiamente documentata, la sua fisica alla base non è ancora completamente compresa.
I ricercatori della Brown University hanno recentemente condotto uno studio per indagare ulteriormente sulla superconduttività nel grafene a tre strati contorto. Il loro articolo, pubblicato su Nature Physics , introduce importanti vincoli che potrebbero dare forma ai modelli teorici esistenti di superconduttività.
"Alcuni esperimenti precedenti hanno mostrato che la fase superconduttrice nel grafene a tre strati attorcigliato ad angolo magico sopravvive a un ampio campo magnetico esterno che viola il cosiddetto limite di Pauli, dove ci si aspetta che le coppie di elettroni con orientamenti di spin opposti vengano distrutte", Jia Leo Li , uno dei ricercatori che hanno condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Il fatto che la superconduttività violi questo limite fornisce una forte indicazione che gli spin degli elettroni in una coppia di Cooper sono allineati nella stessa direzione."
L'obiettivo principale del recente lavoro di Li e dei suoi colleghi della Brown University era comprendere meglio l'insolito comportamento superconduttore osservato nel grafene a tre strati contorto ad angolo magico. Per fare ciò, il team ha utilizzato una tecnica chiamata screening di Colomb, che consente agli scienziati di studiare il ruolo delle interazioni di Coulomb nella stabilizzazione della fase superconduttrice. In definitiva, ciò ha portato a nuove scoperte che arricchiscono l'attuale comprensione del meccanismo alla base della superconduttività nel nuovo promettente materiale.
"L'anno scorso, abbiamo dimostrato che si può manipolare direttamente la forza dell'interazione Coulomb utilizzando un'etesostruttura di materiale 2D appositamente progettata", ha affermato Jia Li, assistente professore di fisica alla Brown e corrispondente autore della ricerca. "La risposta della superconduttività alla variazione dell'interazione Coulomb ci dice qualcosa di importante su quel sistema. In questo caso, abbiamo dimostrato che un'interazione Coulomb più debole rafforza la superconduttività".
La tecnica di screening utilizzata da Li e dai suoi colleghi è stata svelata da loro in uno dei loro studi precedenti, condotto da Xiaoxue Liu. Liu è un ricercatore post-dottorato presso la Brown University e un pioniere nello studio dei sistemi moiré di grafene che utilizzano strutture di materiali 2D con un design complesso.
"La misurazione dello screening che abbiamo raccolto nel grafene a tre strati contorto mostra risultati simili rispetto alla stessa misurazione eseguita sul doppio strato di grafene ad angolo magico, il che suggerisce che le fasi superconduttive in questi due sistemi hanno un'origine comune", ha detto Li. "Il nostro risultato più notevole è che la colla (di accoppiamento) per la fase superconduttrice nel grafene a tre strati contorto sembra essere in competizione con l'interazione di Coulomb. "
I risultati offrono nuove preziose informazioni che migliorano significativamente l'attuale comprensione della superconduttività nelle strutture di grafene contorte. In futuro, il team prevede di indagare ulteriormente su questa promettente struttura, utilizzando anche la stessa tecnica impiegata nel loro recente studio per esaminare altri materiali.
"Il comportamento che abbiamo osservato fornisce un forte supporto per un gruppo di modelli teorici, mentre esclude un altro gruppo di possibilità", ha aggiunto Li. "Lo screening di Coulomb è una tecnica potente. Ora abbiamo in programma di applicare questa stessa tecnica per saperne di più sulle fasi superconduttive nei materiali 2D". + Esplora ulteriormente
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