Poco più di un anno dopo che i ricercatori del MIT hanno sbalordito il mondo della fisica con la scoperta dell'"angolo magico" per fogli impilati di grafene, i ricercatori del Caltech hanno osservato e studiato direttamente questo materiale utilizzando un microscopio a scansione a effetto tunnel in grado di visualizzare le proprietà elettroniche su scale di lunghezza atomica.

Comprendere l'"angolo magico" - un orientamento specifico tra il grafene impilato che produce proprietà elettriche speciali - potrebbe aprire la strada alla realizzazione del sogno dei superconduttori a temperatura ambiente, che potrebbe trasmettere enormi correnti elettriche producendo zero calore.

Ma prima:qual è l'angolo magico? Supponiamo che tu prenda due fogli di grafene - reticoli spessi di atomi di carbonio a singolo atomo - e li metta uno sopra l'altro per creare un materiale a doppio strato, quindi torcere uno dei fogli di grafene per spostare il loro orientamento l'uno sull'altro. Man mano che l'orientamento cambia, le proprietà elettroniche del materiale a doppio strato cambieranno con esso. All'inizio del 2018, ricercatori del MIT hanno scoperto che, con un certo orientamento (circa 1,1 gradi di torsione relativa), il materiale a doppio strato, sorprendentemente, diventa superconduttore e inoltre, le proprietà superconduttive possono essere controllate con i campi elettrici. La loro scoperta ha lanciato un nuovo campo di ricerca sul grafene magico orientato all'angolo, noto come "twistronics".

Gli ingegneri e i fisici del Caltech si sono basati su quella scoperta generando un'immagine della struttura atomica e delle proprietà elettroniche del grafene magico ad angolo attorcigliato, fornire una nuova visione del fenomeno offrendo un modo più diretto di studiarlo. Un articolo sul loro lavoro è stato pubblicato sulla rivista Fisica della natura il 5 agosto

"Questo tira indietro il velo sui twistronici, " dice Stevan Nadj-Perge di Caltech, autore corrispondente della carta e assistente professore di fisica applicata e scienza dei materiali nella Divisione di Ingegneria e Scienze Applicate.

La ricerca sull'angolo magico richiede un livello di precisione estremo per ottenere i due fogli di grafene allineati con la giusta angolazione. Le vecchie tecniche per farlo richiedevano l'incorporamento del grafene in un materiale isolante, che ha avuto lo sfortunato effetto collaterale di impedire lo studio diretto del campione. Anziché, i ricercatori hanno dovuto utilizzare metodi indiretti per sondare il campione di grafene, ad esempio misurando il modo in cui gli elettroni fluiscono attraverso di esso. Nadj-Perge e i suoi colleghi hanno sviluppato un nuovo metodo per creare campioni di grafene magico ad angolo attorcigliato che può essere utilizzato per allineare i due fogli di grafene in modo molto preciso lasciandolo esposto per l'osservazione diretta.

Utilizzando questa tecnica, i ricercatori potrebbero saperne di più sulle proprietà elettroniche del materiale all'angolo magico e studiare come queste proprietà cambiano quando l'angolo di torsione si allontana dal valore magico. Il loro lavoro ha fornito diversi spunti chiave che guideranno la modellazione teorica e gli esperimenti futuri, compresa l'osservazione che la correlazione elettronica gioca un ruolo importante vicino al punto di neutralità di carica, l'angolo al quale il doppio strato è elettronicamente neutro.

"In precedenza, si pensava che gli effetti di correlazione non giocassero un ruolo importante nella neutralità della carica, " dice Nadj-Perge. "Più vicino, un esame più dettagliato di campioni come questo potrebbe aiutarci a spiegare perché esistono gli effetti elettronici esotici vicino all'angolo magico. Una volta che lo sappiamo, potremmo aiutare a spianare la strada a utili applicazioni di esso, forse anche portando alla superconduttività a temperatura ambiente un giorno."

Il documento è intitolato "Correlazioni elettroniche nel grafene a doppio strato attorcigliato vicino all'angolo magico".