Nei normali materiali conduttivi come argento e rame, la corrente elettrica scorre con diversi gradi di resistenza, sotto forma di singoli elettroni che ping-pong via i difetti, dissipando energia man mano che vanno. Superconduttori, al contrario, sono così chiamati per la loro notevole capacità di condurre elettricità senza resistenza, per mezzo di elettroni che si accoppiano e si muovono attraverso un materiale come uno, non generando attrito.

Ora i fisici del MIT hanno scoperto che un fiocco di grafene, quando portato in prossimità di due materiali superconduttori, può ereditare alcune delle qualità superconduttive di quei materiali. Poiché il grafene è inserito tra i superconduttori, il suo stato elettronico cambia drasticamente, anche al suo centro.

I ricercatori hanno scoperto che gli elettroni del grafene, precedentemente comportandosi come individuo, particelle di dispersione, invece accoppiarsi in "Stati di Andreev", una configurazione elettronica fondamentale che consente un convenzionale, materiale non superconduttore per trasportare una "supercorrente, "una corrente elettrica che scorre senza dissipare energia.

Le loro scoperte, pubblicato questa settimana in Fisica della natura , sono la prima indagine sugli stati di Andreev dovuti all'"effetto di prossimità" della superconduttività in un materiale bidimensionale come il grafene.

Lungo la strada, la piattaforma di grafene dei ricercatori può essere utilizzata per esplorare particelle esotiche, come i fermioni di Majorana, che si pensa derivino dagli stati di Andreev e possono essere particelle chiave per costruire potenti, computer quantistici a prova di errore.

"C'è un enorme sforzo nella comunità dei fisici condensati per cercare stati elettronici quantistici esotici, ", afferma l'autore principale Landry Bretheau, un postdoc presso il Dipartimento di Fisica del MIT. "In particolare, si prevede che nuove particelle chiamate fermioni di Majorana emergano nel grafene collegato a elettrodi superconduttori ed esposto a grandi campi magnetici. Il nostro esperimento è promettente, mentre stiamo unificando alcuni di questi ingredienti".

I coautori del MIT di Landry sono il postdoc Joel I-Jan Wang, lo studente in visita Riccardo Pisoni, e professore associato di fisica Pablo Jarillo-Herrero, insieme a Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi del National Institute for Materials Science, in Giappone.

L'effetto di prossimità superconduttore

Nel 1962, il fisico britannico Brian David Josephson ha predetto che due superconduttori che racchiudono uno strato non superconduttore tra loro potrebbero sostenere una supercorrente di coppie di elettroni, senza alcuna tensione esterna.

Nel complesso, la supercorrente associata all'effetto Josephson è stata misurata in numerosi esperimenti. Ma gli stati di Andreev, considerati gli elementi costitutivi microscopici di una supercorrente, sono stati osservati solo in una manciata di sistemi, come fili d'argento, e mai in un materiale bidimensionale.

Bretheau, Wang, e Jarillo-Herrero hanno affrontato questo problema utilizzando il grafene, un foglio ultrasottile di atomi di carbonio interconnessi, come materiale non superconduttore. Grafene, come spiega Bretheau, è un sistema estremamente "pulito", mostrano una dispersione di elettroni molto ridotta. Il grafene è esteso, la configurazione atomica consente inoltre agli scienziati di misurare gli stati elettronici di Andreev del grafene quando il materiale entra in contatto con i superconduttori. Gli scienziati possono anche controllare la densità degli elettroni nel grafene e studiare come influisce sull'effetto di prossimità superconduttore.

I ricercatori hanno esfoliato una sottilissima scaglia di grafene, largo solo poche centinaia di nanometri, da un pezzo più grande di grafite, e mise il fiocco su una piccola piattaforma fatta da un cristallo di nitruro di boro sovrapposto a un foglio di grafite. Su entrambe le estremità del fiocco di grafene, hanno posizionato un elettrodo in alluminio, che si comporta come un superconduttore a basse temperature. Hanno quindi collocato l'intera struttura in un frigorifero a diluizione e hanno abbassato la temperatura a 20 millikelvin, ben all'interno dell'intervallo superconduttore dell'alluminio.

Stati "frustrati"

Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno variato l'entità della supercorrente che scorre tra i superconduttori applicando un campo magnetico variabile all'intera struttura. Hanno anche applicato una tensione esterna direttamente al grafene, variare il numero di elettroni nel materiale.

In queste condizioni mutevoli, il team ha misurato la densità degli stati elettronici del grafene mentre il fiocco era in contatto con entrambi i superconduttori di alluminio. Utilizzando la spettroscopia tunnel, una tecnica comune che misura la densità degli stati elettronici in un campione conduttivo, i ricercatori sono stati in grado di sondare la regione centrale del grafene per vedere se i superconduttori hanno avuto qualche effetto, anche nelle aree in cui non toccavano fisicamente il grafene.

Le misurazioni hanno indicato che gli elettroni del grafene, che normalmente agiscono come singole particelle, si stavano accoppiando, anche se in configurazioni "frustrate", con energie dipendenti dal campo magnetico.

"Gli elettroni in un superconduttore danzano armoniosamente a coppie, come un balletto, ma la coreografia nei superconduttori sinistro e destro può essere diversa, " Bretheau dice. "Le coppie nel grafene centrale sono frustrate mentre cercano di soddisfare entrambi i modi di ballare. Queste coppie frustrate sono ciò che i fisici conoscono come afferma Andreev; stanno portando la supercorrente."

Bretheau e Wang hanno scoperto che gli stati di Andreev variano la loro energia in risposta a un campo magnetico variabile. Gli stati di Andreev sono più pronunciati quando il grafene ha una maggiore densità di elettroni e c'è una supercorrente più forte che scorre tra gli elettrodi.

"[I superconduttori] stanno effettivamente conferendo al grafene alcune qualità superconduttive, " Bretheau dice. "Abbiamo scoperto che questi elettroni possono essere notevolmente influenzati dai superconduttori".

Mentre i ricercatori hanno condotto i loro esperimenti sotto bassi campi magnetici, dicono che la loro piattaforma potrebbe essere un punto di partenza per esplorare i più esotici fermioni di Majorana che dovrebbero apparire sotto alti campi magnetici.

"Ci sono proposte su come usare i fermioni di Majorana per costruire potenti computer quantistici, " dice Bretheau. "Queste particelle potrebbero essere il mattone elementare dei computer quantistici topologici, con una protezione molto forte contro gli errori. Il nostro lavoro è un primo passo in questa direzione».

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.