È difficile credere che un singolo materiale possa essere descritto da tanti superlativi quanti ne può il grafene. Dalla sua scoperta nel 2004, gli scienziati hanno scoperto che il pizzo, foglio a nido d'ape di atomi di carbonio - essenzialmente la più microscopica rasatura di mina che si possa immaginare - non è solo il materiale più sottile conosciuto al mondo, ma anche incredibilmente leggero e flessibile, centinaia di volte più forte dell'acciaio, e più elettricamente conduttivo del rame.

Ora i fisici del MIT e dell'Università di Harvard hanno scoperto che il materiale prodigioso può esibire proprietà elettroniche ancora più curiose. In due articoli pubblicati oggi in Natura , il team riferisce di poter sintonizzare il grafene in modo che si comporti a due estremi elettrici:come isolante, in cui gli elettroni sono completamente bloccati dal flusso; e come superconduttore, in cui la corrente elettrica può fluire senza resistenza.

Ricercatori in passato, compresa questa squadra, sono stati in grado di sintetizzare superconduttori di grafene mettendo il materiale a contatto con altri metalli superconduttori, una disposizione che consente al grafene di ereditare alcuni comportamenti superconduttori. Questa volta, il team ha trovato un modo per rendere il grafene superconduttore da solo, dimostrando che la superconduttività può essere una qualità intrinseca nel materiale puramente a base di carbonio.

I fisici hanno ottenuto questo risultato creando un "superreticolo" di due fogli di grafene impilati insieme, non esattamente uno sopra l'altro, ma ruotato leggermente, con un "angolo magico" di 1,1 gradi. Di conseguenza, la sovrapposizione, il motivo esagonale a nido d'ape è leggermente sfalsato, creando una precisa configurazione moiré che si prevede induca strani, "interazioni fortemente correlate" tra gli elettroni nei fogli di grafene. In qualsiasi altra configurazione impilata, il grafene preferisce rimanere distinto, interagendo molto poco, elettronicamente o in altro modo, con i suoi strati vicini.

Il gruppo, guidato da Pablo Jarillo-Herrero, professore associato di fisica al MIT, scoperto che quando ruotato con l'angolo magico, i due fogli di grafene mostrano un comportamento non conduttivo, simile a una classe esotica di materiali noti come isolanti Mott. Quando i ricercatori hanno poi applicato la tensione, aggiungendo piccole quantità di elettroni al superreticolo di grafene, hanno scoperto che, ad un certo livello, gli elettroni escono dallo stato isolante iniziale e fluiscono senza resistenza, come attraverso un superconduttore.

"Ora possiamo usare il grafene come una nuova piattaforma per studiare la superconduttività non convenzionale, " dice Jarillo-Herrero. "Si può anche immaginare di realizzare un transistor superconduttore con il grafene, che puoi accendere e spegnere, dal superconduttore all'isolante. Questo apre molte possibilità per i dispositivi quantistici".

Un gap di 30 anni

La capacità di un materiale di condurre elettricità è normalmente rappresentata in termini di bande energetiche. Una singola banda rappresenta una gamma di energie che gli elettroni di un materiale possono avere. C'è un gap energetico tra le bande, e quando una banda è piena, un elettrone deve incorporare energia extra per superare questo divario, per occupare la fascia vuota successiva.

Un materiale è considerato un isolante se l'ultima banda di energia occupata è completamente piena di elettroni. Conduttori elettrici come metalli, d'altra parte, mostrano bande di energia parzialmente riempite, con stati energetici vuoti che gli elettroni possono riempire per muoversi liberamente.

Isolatori Mott, però, sono una classe di materiali che dalla loro struttura a bande sembrano condurre elettricità, ma quando misurato, si comportano come isolanti. Nello specifico, le loro bande energetiche sono riempite a metà, ma a causa delle forti interazioni elettrostatiche tra gli elettroni (come le cariche di segno uguale che si respingono a vicenda), il materiale non conduce elettricità. La banda riempita a metà si divide essenzialmente in due miniature, bande quasi piatte, con gli elettroni che occupano completamente una banda e lasciano l'altra vuota, e quindi comportarsi da isolante.

"Questo significa che tutti gli elettroni sono bloccati, quindi è un isolante a causa di questa forte repulsione tra gli elettroni, così niente può fluire, " Jarillo-Herrero spiega. "Perché gli isolanti Mott sono importanti? Si scopre che il composto progenitore della maggior parte dei superconduttori ad alta temperatura è un isolante Mott".

In altre parole, gli scienziati hanno trovato il modo di manipolare le proprietà elettroniche degli isolanti Mott per trasformarli in superconduttori, a temperature relativamente elevate di circa 100 Kelvin. Per fare questo, "drogano" chimicamente il materiale con l'ossigeno, i cui atomi attraggono gli elettroni dall'isolatore di Mott, lasciando più spazio per il flusso degli elettroni rimanenti. Quando viene aggiunto abbastanza ossigeno, l'isolante si trasforma in un superconduttore. Come avviene esattamente questa transizione, Jarillo-Herrero dice, è stato un mistero di 30 anni.

"Questo è un problema che dura da 30 anni e continua, irrisolto, " dice Jarillo-Herrero. "Questi superconduttori ad alta temperatura sono stati studiati a morte, e hanno molti comportamenti interessanti. Ma non sappiamo come spiegarli".

Una rotazione precisa

Jarillo-Herrero ei suoi colleghi hanno cercato una piattaforma più semplice per studiare una fisica così non convenzionale. Nello studio delle proprietà elettroniche del grafene, la squadra ha iniziato a giocare con semplici pile di fogli di grafene. I ricercatori hanno creato superreticoli a due fogli esfoliando prima un singolo fiocco di grafene dalla grafite, quindi prelevare con cura metà della scaglia con un vetrino rivestito con un polimero appiccicoso e un materiale isolante di nitruro di boro.

Hanno quindi ruotato leggermente il vetrino e raccolto la seconda metà del fiocco di grafene, rispettandolo nel primo tempo. In questo modo, hanno creato un superreticolo con un motivo sfalsato che è distinto dal reticolo a nido d'ape originale del grafene.

Il team ha ripetuto questo esperimento, creando diversi "dispositivi, " o superreticoli di grafene, con vari angoli di rotazione, tra 0 e 3 gradi. Hanno attaccato elettrodi a ciascun dispositivo e misurato una corrente elettrica che passa attraverso, quindi tracciato la resistenza del dispositivo, data la quantità di corrente originale che è passata.

"Se sei fuori dall'angolo di rotazione di 0,2 gradi, tutta la fisica è sparita, " Jarillo-Herrero dice. "Non appare superconduttività o isolante Mott. Quindi devi essere molto preciso con l'angolo di allineamento."

A 1,1 gradi - una rotazione che è stata prevista essere un "angolo magico" - i ricercatori hanno scoperto che il superreticolo di grafene assomigliava elettronicamente a una struttura a banda piatta, simile a un isolante Mott, in cui tutti gli elettroni trasportano la stessa energia indipendentemente dalla loro quantità di moto.

"Immagina che la quantità di moto di un'auto sia massa per velocità, " dice Jarillo-Herrero. "Se stai guidando a 30 miglia orarie, hai una certa quantità di energia cinetica. Se guidi a 60 miglia orarie, hai un'energia molto più alta, e se ti schianti, potresti deformare un oggetto molto più grande. Questa cosa sta dicendo, non importa se vai a 30 o 60 o 100 miglia all'ora, avrebbero tutti la stessa energia".

"Corrente gratis"

Per gli elettroni, ciò significa che, anche se occupano una banda di energia semipiena, un elettrone non ha più energia di qualsiasi altro elettrone, per consentirgli di muoversi in quella banda. Perciò, anche se una struttura a bande così riempita a metà dovrebbe agire come un conduttore, si comporta invece da isolante - e più precisamente, un isolante Mott.

Questo ha dato al team un'idea:e se potessero aggiungere elettroni a questi superreticoli simili a Mott, simile a come gli scienziati hanno drogato gli isolanti Mott con l'ossigeno per trasformarli in superconduttori? Il grafene assumerebbe a sua volta qualità superconduttive?

Per scoprirlo, hanno applicato una piccola tensione di gate al "superreticolo di grafene ad angolo magico, " aggiungendo piccole quantità di elettroni alla struttura. Di conseguenza, singoli elettroni legati insieme ad altri elettroni nel grafene, permettendo loro di fluire dove prima non potevano. Per tutto, i ricercatori hanno continuato a misurare la resistenza elettrica del materiale, e ha scoperto che quando hanno aggiunto un certo, piccola quantità di elettroni, la corrente elettrica scorreva senza dissipare energia, proprio come un superconduttore.

"Puoi far scorrere la corrente gratuitamente, nessuna energia sprecata, e questo sta dimostrando che il grafene può essere un superconduttore, " dice Jarillo-Herrero.

Forse ancora più importante, dice che i ricercatori sono in grado di sintonizzare il grafene in modo che si comporti come un isolante o un superconduttore, e qualsiasi fase intermedia, esibendo tutte queste diverse proprietà in un unico dispositivo. Questo è in contrasto con altri metodi, in cui gli scienziati hanno dovuto coltivare e manipolare centinaia di singoli cristalli, ognuno dei quali può essere fatto comportare in una sola fase elettronica.

"Generalmente, devi coltivare diverse classi di materiali per esplorare ogni fase, " dice Jarillo-Herrero. "Lo stiamo facendo in loco, in un colpo, in un dispositivo puramente in carbonio. Possiamo esplorare elettricamente tutta quella fisica in un dispositivo, piuttosto che dover realizzare centinaia di dispositivi. Non potrebbe essere più semplice".