Cristalli Wigner proposti per il grafene a doppio strato ad angolo magico. Nella figura A, il criterio per osservare questa struttura reticolare non è soddisfatto sperimentalmente, con conseguente trasporto metallico quando un singolo elettrone occupa una cella moiré. Le figure B e C mostrano lo stato isolante, spiegando l'osservazione sperimentale quando 2 o 3 elettroni sono in una cella moiré. Credito:Philip Phillips, Università dell'Illinois a Urbana-Champaign
Recentemente, un team di scienziati guidati da Pablo Jarillo-Herrero presso il Massachusetts Institute of Technology (MIT) ha creato un enorme scalpore nel campo della fisica della materia condensata quando ha dimostrato che due fogli di grafene si attorcigliavano ad angoli specifici, soprannominati grafene "angolo magico". —visualizzare due fasi emergenti di materia non osservate in singoli fogli di grafene. Il grafene è un reticolo a nido d'ape di atomi di carbonio:è essenzialmente uno strato di grafite dello spessore di un atomo, il buio, materiale traballante in matite.
In due articoli pubblicati online nel marzo 2018 e apparsi nel 5 aprile, Numero 2018 della rivista Natura , il team ha riferito che il grafene a doppio strato ritorto (tBLG) mostra una fase superconduttiva non convenzionale, simile a quello che si vede nei cuprati superconduttori ad alta temperatura. Questa fase si ottiene drogando (iniettando elettroni in) uno stato isolante, che il gruppo del MIT ha interpretato come un esempio di isolamento Mott. Un team congiunto di scienziati dell'UCSB e della Columbia University ha riprodotto i notevoli risultati del MIT. La scoperta è promettente per l'eventuale sviluppo di superconduttori a temperatura ambiente e una miriade di altre applicazioni altrettanto innovative.
I ricercatori dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign hanno recentemente dimostrato che il comportamento isolante riportato dal team del MIT è stato attribuito erroneamente. Professor Philip Phillips, un noto esperto nella fisica degli isolanti Mott, afferma che un'attenta revisione dei dati sperimentali del MIT da parte del suo team ha rivelato che il comportamento isolante del grafene "ad angolo magico" non è l'isolamento di Mott, ma qualcosa di ancora più profondo:un cristallo Wigner.
"Le persone sono alla ricerca di chiari esempi di cristalli Wigner da quando Wigner li ha predetti per la prima volta negli anni '30, " Phillips afferma. "Penso che questo sia ancora più eccitante che se fosse un isolante Mott".
Il professore di fisica dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign Philip Phillips (a destra) e lo studente laureato Bikash Padhi posano nell'Institute for Condensed Matter Physics nel campus di Urbana. Credito:Siv Schwink, Università dell'Illinois a Urbana-Champaign
Autore principale dello studio U of I, studente laureato Bikash Padhi, spiega, "Quando un foglio di grafene è attorcigliato sopra un altro, i motivi moiré emergono come risultato dell'offset nella struttura a nido d'ape. Iniettando artificialmente elettroni in questi fogli, il gruppo del MIT ha ottenuto nuove fasi della materia che possono essere comprese studiando questi elettroni extra sul letto di questo modello moiré. Aumentando la densità elettronica, il gruppo MIT ha osservato uno stato isolante quando 2 e 3 elettroni risiedono in una cella unitaria moiré. Hanno sostenuto che questo comportamento è un esempio della fisica di Mott".
Perché non può essere la fisica di Mott?
Phillips spiega, "Gli isolanti Mott sono una classe di materiali che dovrebbero essere conduttivi se non si tiene conto delle interazioni elettroniche, ma una volta preso in considerazione, sono invece isolanti. Ci sono due ragioni principali per cui sospettiamo che il tBLG non formi un isolante di Mott:la transizione metallo-isolante osservata offre solo una scala energetica caratteristica, mentre gli isolanti Mott convenzionali sono descritti da due scale. Prossimo, nel rapporto del MIT, a differenza di quanto ci si aspetta da un sistema Mott, non c'era isolante quando c'era solo 1 elettrone per cella unitaria. Questo è fondamentalmente incoerente con Mottness."
La figura allegata mostra gli stati cristallini che spiegano questi dati.
Zorbing, rotolando e rimbalzando in una palla trasparente gonfiata, è diventato popolare in tutto il mondo. Bikash Pahdi, uno studente laureato dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign in fisica della materia condensata teorica, paragona la cristallizzazione di Wigner a zorbs rigonfi in un campo chiuso, dove i passeggeri dello zorb sono elettroni e lo stesso zorb è la misura della repulsione di ciascun elettrone verso altri elettroni. Credito:Nome utente:Rodw/Wikimedia Commons/Dominio pubblico
Cos'è un cristallo Wigner?
Per capire i cristalli Wigner, Padhi offre questa analogia:"Immagina un gruppo di persone ciascuna all'interno di un grande globo e che corrono in una stanza chiusa. Se questo globo è piccolo possono muoversi liberamente ma man mano che cresce, uno può scontrarsi più frequentemente di prima e alla fine potrebbero esserci un punto in cui tutti sono bloccati nelle loro posizioni poiché qualsiasi piccolo movimento sarà immediatamente impedito dalla persona successiva. Questo è fondamentalmente ciò che è un cristallo. Le persone qui sono elettroni, e il globo è una misura della loro repulsione."
Phillips attribuisce a Padhi il merito di aver dato impulso allo studio.
Questi risultati sono stati pre-pubblicati online sulla rivista Nano lettere Nell'articolo, "Grafene a doppio strato ritorto drogato vicino ad angoli magici:vicinanza alla cristallizzazione Wigner non all'isolamento Mott, "il 5 settembre 2018, con la redazione ufficiale finale da inserire nel numero di ottobre 2018 della rivista.
Questa ricerca è stata finanziata dal Center for Emergent Superconductivity, un Centro di ricerca di frontiera energetica finanziato dal Dipartimento dell'energia, e dalla National Science Foundation. Le conclusioni presentate sono quelle dei ricercatori e non necessariamente quelle delle agenzie di finanziamento.
