I ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno sviluppato un dispositivo al grafene che è più sottile di un capello umano ma ha una profondità di tratti speciali. Passa facilmente da un materiale superconduttore che conduce elettricità senza perdere energia, ad un isolante che resiste al flusso di corrente elettrica, e di nuovo a un superconduttore, il tutto con un semplice tocco di un interruttore. I loro risultati sono stati riportati oggi sulla rivista Natura .

"Generalmente, quando qualcuno vuole studiare come gli elettroni interagiscono tra loro in una fase quantistica superconduttiva rispetto a una fase isolante, avrebbero bisogno di guardare materiali diversi. Con il nostro sistema, puoi studiare sia la fase di superconduttività che la fase di isolamento in un unico posto, " disse Guorui Chen, l'autore principale dello studio e ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Feng Wang, che ha condotto lo studio. Wang, uno scienziato della facoltà nella divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab, è anche professore di fisica all'Università di Berkeley.

Il dispositivo al grafene è composto da tre strati di grafene atomicamente sottili (2-D). Quando inserito tra strati 2-D di nitruro di boro, forma uno schema ripetuto chiamato superreticolo moiré. Il materiale potrebbe aiutare altri scienziati a comprendere i complicati meccanismi alla base di un fenomeno noto come superconduttività ad alta temperatura, dove un materiale può condurre elettricità senza resistenza a temperature superiori al previsto, anche se ancora centinaia di gradi sotto lo zero.

In uno studio precedente, i ricercatori hanno riferito di aver osservato le proprietà di un isolante Mott in un dispositivo fatto di grafene a tre strati. Un isolante Mott è una classe di materiale che in qualche modo smette di condurre elettricità a centinaia di gradi sotto lo zero nonostante la teoria classica predice la conduttività elettrica. Ma è stato a lungo creduto che un isolante Mott possa diventare superconduttivo aggiungendo più elettroni o cariche positive per renderlo superconduttivo, Chen ha spiegato.

Negli ultimi 10 anni, i ricercatori hanno studiato modi per combinare diversi materiali 2-D, spesso a partire dal grafene, un materiale noto per la sua capacità di condurre in modo efficiente calore ed elettricità. Fuori da questo corpo di lavoro, altri ricercatori avevano scoperto che i superreticoli moiré formati con il grafene esibiscono una fisica esotica come la superconduttività quando gli strati sono allineati ad angolo retto.

"Quindi per questo studio ci siamo chiesti, "Se il nostro sistema di grafene a tre strati è un isolante Mott, potrebbe anche essere un superconduttore?'", ha detto Chen.

Aprendo le porte a un nuovo mondo della fisica

Lavorando con David Goldhaber-Gordon della Stanford University e lo Stanford Institute for Materials and Energy Sciences presso lo SLAC National Accelerator Laboratory, e Yuanbo Zhang dell'Università Fudan, i ricercatori hanno utilizzato un frigorifero a diluizione, che può raggiungere temperature estremamente fredde di 40 millikelvin, o quasi meno 460 gradi Fahrenheit, per raffreddare il dispositivo di grafene/nitruro di boro fino a una temperatura alla quale i ricercatori si aspettavano che la superconduttività comparisse vicino alla fase isolante di Mott, disse Chen.

Una volta che il dispositivo ha raggiunto una temperatura di 4 kelvin (meno 452 gradi Fahrenheit), i ricercatori hanno applicato una gamma di tensioni elettriche alle minuscole porte superiore e inferiore del dispositivo. Come si aspettavano, quando hanno applicato un campo elettrico verticale elevato sia alla porta superiore che a quella inferiore, un elettrone riempiva ciascuna cella del dispositivo di nitruro di boro/grafene. Ciò ha fatto sì che gli elettroni si stabilizzassero e rimanessero al loro posto, e questa "localizzazione" di elettroni ha trasformato il dispositivo in un isolante Mott.

Quindi, applicavano ai cancelli una tensione elettrica ancora più elevata. Per loro gioia, una seconda lettura ha indicato che gli elettroni non erano più stabili. Anziché, stavano facendo la spola, passando di cellula in cellula, e condurre elettricità senza perdite o resistenze. In altre parole, il dispositivo era passato dalla fase isolante Mott alla fase superconduttore.

Chen ha spiegato che il superreticolo moiré di nitruro di boro aumenta in qualche modo le interazioni elettrone-elettrone che si verificano quando viene applicata una tensione elettrica al dispositivo, un effetto che accende la sua fase superconduttiva. È anche reversibile:quando viene applicata una tensione elettrica inferiore alle porte, il dispositivo torna allo stato isolante.

Il dispositivo multitasking offre agli scienziati un piccolo, parco giochi versatile per studiare la squisita interazione tra atomi ed elettroni in nuovi materiali superconduttori esotici con potenziale uso nei computer quantistici, computer che memorizzano e manipolano informazioni in qubit, che sono tipicamente particelle subatomiche come elettroni o fotoni, così come nuovi materiali isolanti Mott che un giorno potrebbero trasformare in realtà minuscoli transistor Mott 2-D per la microelettronica.

"Questo risultato è stato molto eccitante per noi. Non avremmo mai immaginato che il dispositivo grafene/nitruro di boro avrebbe funzionato così bene, " Chen ha detto. "Puoi studiare quasi tutto con esso, dalle singole particelle alla superconduttività. È il miglior sistema che conosco per studiare nuovi tipi di fisica, " disse Chen.

Questo studio è stato sostenuto dal Center for Novel Pathways to Quantum Coherence in Materials (NPQC), un Energy Frontier Research Center guidato da Berkeley Lab e finanziato dal DOE Office of Science. NPQC riunisce i ricercatori del Berkeley Lab, Laboratorio Nazionale Argonne, Università della Columbia, e UC Santa Barbara per studiare come la coerenza quantistica sia alla base di fenomeni inaspettati in nuovi materiali come il grafene a tre strati, con un occhio agli usi futuri nella scienza e nella tecnologia dell'informazione quantistica.