Teaser:un team guidato dalla Columbia ha scoperto un nuovo metodo per manipolare la conduttività elettrica di questo materiale rivoluzionario, il più forte conosciuto dall'uomo con applicazioni che vanno dai dispositivi nanoelettronici all'energia pulita.

Il grafene è stato annunciato come un materiale meraviglioso. Non solo è il più forte, materiale più sottile mai scoperto, la sua eccezionale capacità di condurre calore ed elettricità apre la strada all'innovazione in aree che vanno dall'elettronica all'energia alla medicina.

Ora, un team guidato dalla Columbia University ha sviluppato un nuovo metodo per sintonizzare con precisione gli strati adiacenti di grafene:pizzo, fogli a nido d'ape di atomi di carbonio, per indurre la superconduttività. La loro ricerca fornisce nuove intuizioni sulla fisica alla base delle caratteristiche intriganti di questo materiale bidimensionale.

Il documento del team è pubblicato nel numero del 24 gennaio di Scienza .

"Il nostro lavoro dimostra nuovi modi per indurre la superconduttività nel grafene a doppio strato attorcigliato, in particolare, ottenuto applicando una pressione, " ha detto Cory Dean, assistente professore di fisica alla Columbia e ricercatore principale dello studio. "Fornisce anche una prima conferma fondamentale dei risultati del MIT dello scorso anno, che il grafene a doppio strato può esibire proprietà elettroniche se ruotato ad angolo, e favorisce la nostra comprensione del sistema, che è estremamente importante per questo nuovo campo di ricerca."

Nel marzo 2018 i ricercatori del Massachusetts Institute of Technology hanno riportato una scoperta rivoluzionaria secondo cui due strati di grafene possono condurre elettricità senza resistenza quando l'angolo di torsione tra loro è di 1,1 gradi, chiamato "angolo magico".

Ma colpire quell'angolo magico si è rivelato difficile. "Gli strati devono essere attorcigliati a circa un decimo di grado intorno a 1,1, che è sperimentalmente impegnativo, " Ha detto Dean. "Abbiamo scoperto che errori molto piccoli nell'allineamento potrebbero dare risultati completamente diversi".

Quindi Dean e i suoi colleghi, che includono scienziati del National Institute for Materials Science e dell'Università della California, Santa Barbara, si proponeva di verificare se le condizioni dell'angolo magico potessero essere raggiunte con rotazioni maggiori.

"Piuttosto che cercare di controllare con precisione l'angolo, abbiamo chiesto se potevamo invece variare la spaziatura tra gli strati, " ha detto Matthew Yankowitz, un ricercatore post-dottorato nel dipartimento di fisica della Columbia e primo autore dello studio. "In questo modo qualsiasi angolo di torsione potrebbe, in linea di principio, trasformarsi in un angolo magico."

Hanno studiato un campione con un angolo di torsione di 1,3 gradi, solo leggermente più grande dell'angolo magico ma ancora abbastanza lontano da escludere la superconduttività.

L'applicazione della pressione ha trasformato il materiale da metallo in un isolante, in cui l'elettricità non può fluire, o in un superconduttore, in cui la corrente elettrica può passare senza resistenza, a seconda del numero di elettroni nel materiale.

"Sorprendentemente, applicando una pressione superiore a 10, 000 atmosfere osserviamo l'emergere delle fasi isolante e superconduttiva, " ha detto Dean. Inoltre, la superconduttività si sviluppa alla temperatura più alta osservata finora nel grafene, poco più di 3 gradi sopra lo zero assoluto."

Per raggiungere le alte pressioni necessarie per indurre la superconduttività, il team ha lavorato a stretto contatto con la struttura utente del National High Magnetic Field, noto come Maglab, a Tallahassee, Florida.

"Questo sforzo è stato un'enorme sfida tecnica, " ha detto Dean. "Dopo aver fabbricato uno dei dispositivi più esclusivi con cui abbiamo mai lavorato, abbiamo poi dovuto combinare le temperature criogeniche, campi magnetici elevati, e alta pressione, il tutto misurando la risposta elettrica. Mettere insieme tutto questo è stato un compito arduo e la nostra capacità di farlo funzionare è davvero un tributo alla fantastica esperienza del Maglab".

I ricercatori ritengono che potrebbe essere possibile aumentare ulteriormente la temperatura critica della superconduttività a pressioni ancora più elevate. L'obiettivo finale è quello di sviluppare un giorno un superconduttore in grado di funzionare a temperatura ambiente, e sebbene questo possa rivelarsi difficile nel grafene, potrebbe servire come tabella di marcia per raggiungere questo obiettivo in altri materiali.

Andrea Giovani, assistente professore di fisica presso l'UC Santa Barbara, un collaboratore allo studio, detto il lavoro dimostra chiaramente che spremere gli strati ha lo stesso effetto di torcerli e offre un paradigma alternativo per manipolare le proprietà elettroniche del grafene.

"Le nostre scoperte allentano significativamente i vincoli che rendono difficile studiare il sistema e ci forniscono nuove manopole per controllarlo, " ha detto il giovane.

Dean e Young stanno ora torcendo e schiacciando una varietà di materiali atomicamente sottili nella speranza di trovare la superconduttività emergente in altri sistemi bidimensionali.

"Capire 'perché' tutto questo sta accadendo è una sfida formidabile ma fondamentale per sfruttare alla fine il potere di questo materiale e il nostro lavoro inizia a svelare il mistero, '", ha detto Dean.