A volte le migliori scoperte avvengono quando gli scienziati meno se lo aspettano. Durante il tentativo di replicare la scoperta di un'altra squadra, I fisici di Stanford si sono recentemente imbattuti in una nuova forma di magnetismo, previsto ma mai visto prima, che viene generato quando due reticoli di carbonio a forma di nido d'ape vengono accuratamente impilati e ruotati secondo un'angolazione speciale.

Gli autori suggeriscono il magnetismo, chiamato ferromagnetismo orbitale, potrebbe rivelarsi utile per determinate applicazioni, come l'informatica quantistica. Il gruppo descrive la loro scoperta nel numero del 25 luglio della rivista Scienza .

"Non miravamo al magnetismo. Abbiamo scoperto quella che potrebbe essere la cosa più eccitante della mia carriera fino ad oggi attraverso un'esplorazione in parte mirata e in parte accidentale, " ha affermato il leader dello studio David Goldhaber-Gordon, professore di fisica alla School of Humanities and Sciences di Stanford. "La nostra scoperta mostra che le cose più interessanti a volte si rivelano sorprese".

I ricercatori di Stanford hanno inavvertitamente fatto la loro scoperta mentre cercavano di riprodurre una scoperta che stava inviando onde d'urto alla comunità dei fisici. All'inizio del 2018, Il gruppo di Pablo Jarillo-Herrero al MIT ha annunciato di aver persuaso una pila di due fogli di atomi di carbonio leggermente disallineati - grafene a doppio strato attorcigliato - per condurre elettricità senza resistenza, una proprietà nota come superconduttività.

La scoperta è stata una straordinaria conferma di una previsione quasi decennale secondo cui i fogli di grafene ruotati con un angolo molto particolare dovrebbero mostrare fenomeni interessanti.

Quando impilati e attorcigliati, il grafene forma un superreticolo con un'interferenza ripetuta, o moiré, modello. "È come quando suoni due toni musicali che hanno frequenze leggermente diverse, "Goldhaber-Gordon ha detto. "Otterrai un battito tra i due che è correlato alla differenza tra le loro frequenze. È simile a quello che si ottiene impilando due reticoli uno sopra l'altro e ruotandoli in modo che non siano perfettamente allineati".

I fisici hanno teorizzato che il particolare superreticolo formato quando il grafene ruotava di 1,1 gradi provoca il collasso degli stati energetici normalmente variati degli elettroni nel materiale, creando quella che chiamano una banda piatta in cui la velocità con cui si muovono gli elettroni scende quasi a zero. Così rallentato, i moti di un qualsiasi elettrone diventano fortemente dipendenti da quelli degli altri nelle sue vicinanze. Queste interazioni sono al centro di molti stati quantistici esotici della materia.

"Ho pensato che la scoperta della superconduttività in questo sistema fosse sorprendente. Era più di quanto chiunque avesse il diritto di aspettarsi, " ha detto Goldhaber-Gordon. "Ma ho anche sentito che c'era molto di più da esplorare e molte altre domande a cui rispondere, quindi abbiamo deciso di provare a riprodurre il lavoro e poi vedere come potevamo costruirci sopra".

Una serie di eventi fortunati

Durante il tentativo di duplicare i risultati del team del MIT, Goldhaber-Gordon e il suo gruppo hanno introdotto due cambiamenti apparentemente irrilevanti.

Primo, mentre incapsula i reticoli di carbonio a forma di nido d'ape in sottili strati di nitruro di boro esagonale, i ricercatori hanno inavvertitamente ruotato uno degli strati protettivi in ​​un quasi allineamento con il grafene a doppio strato attorcigliato.

"Si scopre che se allinei quasi il reticolo del nitruro di boro con il reticolo del grafene, cambi drasticamente le proprietà elettriche del grafene a doppio strato attorcigliato, ", ha detto il co-primo autore dello studio Aaron Sharpe, uno studente laureato nel laboratorio di Goldhaber-Gordon.

In secondo luogo, il gruppo ha intenzionalmente superato l'angolo di rotazione tra i due fogli di grafene. Invece di 1,1 gradi, puntavano a 1,17 gradi perché altri avevano recentemente dimostrato che i fogli di grafene attorcigliati tendono a depositarsi in angoli più piccoli durante il processo di produzione.

"Abbiamo pensato che se miriamo a 1,17 gradi, poi tornerà verso 1,1 gradi, e saremo felici, " disse Goldhaber-Gordon. "Invece, abbiamo 1,2 gradi."

Un segnale anomalo

Le conseguenze di questi piccoli cambiamenti non sono diventate evidenti fino a quando i ricercatori di Stanford non hanno iniziato a testare le proprietà del loro campione di grafene attorcigliato. In particolare, volevano studiare come le sue proprietà magnetiche cambiassero quando la sua banda piatta, quella raccolta di stati in cui gli elettroni rallentano fino a quasi zero, veniva riempita o svuotata di elettroni.

Mentre pompava elettroni in un campione che era stato raffreddato vicino allo zero assoluto, Sharpe ha rilevato una grande tensione elettrica perpendicolare al flusso di corrente quando la banda piatta era piena per tre quarti. Conosciuto come una tensione di Hall, tale tensione appare tipicamente solo in presenza di un campo magnetico esterno, ma in questo caso, la tensione permane anche dopo la disattivazione del campo magnetico esterno.

Questo anomalo effetto Hall potrebbe essere spiegato solo se il campione di grafene stesse generando il proprio campo magnetico interno. Per di più, questo campo magnetico non potrebbe essere il risultato dell'allineamento dello stato di spin verso l'alto o verso il basso degli elettroni, come avviene tipicamente per i materiali magnetici, ma invece deve essere sorto dai loro moti orbitali coordinati.

"Per quello che ci risulta, questo è il primo esempio noto di ferromagnetismo orbitale in un materiale, " disse Goldhaber-Gordon. "Se il magnetismo fosse dovuto alla polarizzazione di spin, non ti aspetteresti di vedere un effetto Hall. Non vediamo solo un effetto Hall, ma un enorme effetto Hall."

Forza nella debolezza

I ricercatori stimano che il campo magnetico vicino alla superficie del loro campione di grafene attorcigliato sia circa un milione di volte più debole di quello di un magnete da frigorifero convenzionale, ma questa debolezza potrebbe essere un punto di forza in certi scenari, come costruire memoria per computer quantistici.

"Il nostro grafene magnetico a doppio strato può essere acceso con una potenza molto bassa e può essere letto elettronicamente molto facilmente, " Ha detto Goldhaber-Gordon. "Il fatto che non ci sia un grande campo magnetico che si estende verso l'esterno dal materiale significa che puoi imballare pezzi magnetici molto vicini tra loro senza preoccuparti di interferenze".

Il laboratorio di Goldhaber-Gordon non ha ancora finito di esplorare il grafene a doppio strato contorto. Il gruppo prevede di realizzare più campioni utilizzando tecniche di fabbricazione recentemente migliorate per studiare ulteriormente il magnetismo orbitale.