Un team di ricerca internazionale guidato dall'Università di Manchester ha rivelato un nanomateriale che rispecchia l'effetto "angolo magico" originariamente trovato in una complessa struttura artificiale nota come grafene a doppio strato attorcigliato, un'area chiave di studio in fisica negli ultimi anni.

La nuova ricerca mostra che la speciale topologia della grafite romboedrica fornisce efficacemente una "torsione" incorporata e offre quindi un mezzo alternativo per studiare effetti potenzialmente rivoluzionari come la superconduttività. "È un'interessante alternativa agli studi molto popolari sul grafene ad angolo magico", ha affermato il pioniere del grafene, il professor Sir Andre Geim, coautore dello studio.

Il gruppo, guidato da Artem Mishchenko, Il professore di fisica della materia condensata presso l'Università di Manchester ha pubblicato i suoi risultati sulla rivista Natura il 12 agosto 2020.

"La grafite romboedrica può aiutare a comprendere meglio i materiali in cui sono importanti forti correlazioni elettroniche, come i composti di fermioni pesanti e i superconduttori ad alta temperatura", ha detto il professor Mishchenko.

Un precedente passo avanti nella ricerca sui materiali bidimensionali è stato il curioso comportamento che impilando un foglio di grafene uno sopra l'altro e ruotandolo a un "angolo magico" cambiava le proprietà del doppio strato, trasformandolo in un superconduttore.

Il professor Mishchenko e i suoi colleghi hanno ora osservato l'emergere di forti interazioni elettrone-elettrone in una forma romboedrica di grafite debolmente stabile, la forma in cui gli strati di grafene si impilano in modo leggermente diverso rispetto alla forma esagonale stabile.

Le interazioni nel grafene a doppio strato ritorto sono eccezionalmente sensibili all'angolo di torsione. Piccole deviazioni di circa 0,1 gradi dall'esatto angolo magico sopprimono fortemente le interazioni. È estremamente difficile realizzare dispositivi con la precisione richiesta e, specialmente, trovarne di sufficientemente uniformi per studiare l'eccitante fisica coinvolta. Le scoperte recentemente pubblicate sulla grafite romboedrica hanno ora aperto una strada alternativa per realizzare con precisione dispositivi superconduttori.

Grafite, un materiale di carbonio costituito da strati di grafene impilati, ha due forme stabili:esagonale e romboedrica. Il primo è più stabile, ed è stato quindi ampiamente studiato, mentre il secondo lo è meno.

Per capire meglio il nuovo risultato, è importante ricordare che gli strati di grafene sono impilati in modi diversi in queste due forme di grafite. La grafite esagonale (la forma di carbonio che si trova nella mina delle matite) è composta da strati di grafene ordinatamente impilati uno sopra l'altro. La forma romboedrica metastabile ha un ordine di sovrapposizione leggermente diverso, e questa leggera differenza porta ad un drastico cambiamento nel suo spettro elettronico.

Precedenti studi teorici hanno indicato l'esistenza di tutti i tipi di fisica a molti corpi negli stati superficiali della grafite romboedrica, inclusi l'ordinamento magnetico ad alta temperatura e la superconduttività. Queste previsioni non possono essere verificate, però, poiché fino ad ora mancavano completamente le misure di trasporto degli elettroni sul materiale.

Il team di Manchester ha studiato per diversi anni i film di grafite esagonale e ha sviluppato tecnologie avanzate per produrre campioni di alta qualità. Una delle loro tecniche prevede l'incapsulamento dei film con un isolante atomicamente piatto, nitruro di boro esagonale (hBN), che serve a preservare l'elevata qualità elettronica nelle eterostrutture hBN/grafite esagonale/hBN risultanti. Nei loro nuovi esperimenti sulla grafite romboedrica, i ricercatori hanno modificato la loro tecnologia per preservare il fragile ordine di impilamento di questa forma meno stabile di grafite.

I ricercatori hanno ripreso i loro campioni, che conteneva fino a 50 strati di grafene, utilizzando la spettroscopia Raman per confermare che l'ordine di impilamento nel materiale è rimasto intatto e che era di alta qualità. Hanno quindi misurato le proprietà di trasporto elettronico dei loro campioni in modo tradizionale, registrando la resistenza del materiale mentre cambiavano la temperatura e la forza di un campo magnetico applicato.

Il gap energetico può essere aperto anche negli stati superficiali della grafite romboedrica applicando un campo elettrico spiega il professor Mishchenko:"L'apertura del gap di stato superficiale, che era stato previsto teoricamente, è anche una conferma indipendente della natura romboedrica dei campioni, poiché tale fenomeno è vietato nella grafite esagonale."

In grafite romboedrica più sottile di 4nm, una banda proibita è presente anche senza applicare un campo elettrico esterno. I ricercatori affermano di non essere ancora sicuri della natura esatta di questa apertura spontanea del gap (che si verifica nella "neutralità di carica" ​​- il punto in cui le densità di elettroni e lacune sono bilanciate), ma sono impegnati a lavorare per rispondere a questa domanda.

"Dai nostri esperimenti nel regime di Hall quantistica, vediamo che il divario è di natura quantistica di Hall di spin, ma non sappiamo se il gap spontaneo che si apre alla neutralità di carica sia della stessa origine, " aggiunge il professor Mishchenko. "Nel nostro caso, questa apertura di gap era accompagnata da un comportamento isteretico della resistenza del materiale in funzione dei campi elettrici o magnetici applicati. Questa isteresi (in cui il cambiamento di resistenza è in ritardo rispetto ai campi applicati) implica che ci siano diverse fasi elettroniche con gap separate in domini, e queste sono tipiche di materiali fortemente correlati".

Ulteriori indagini sulla grafite romboedrica potrebbero far luce sull'origine dei fenomeni a molti corpi in materiali fortemente correlati come i composti di fermioni pesanti e i superconduttori ad alta temperatura, per citare solo due esempi.