Un foglio di grafene a doppio strato attorcigliato ad angolo magico può ospitare nuove fasi topologiche della materia, uno studio ha rivelato.

Grafene ritorto ad angolo magico, scoperto per la prima volta nel 2018, è costituito da due fogli di grafene (una forma di carbonio costituita da un singolo strato di atomi in un reticolo a nido d'ape), sovrapposti l'uno sull'altro, con un foglio attorcigliato esattamente di 1,05 gradi rispetto all'altro. Il doppio strato risultante ha proprietà elettroniche insolite:ad esempio, può essere trasformato in un isolante o in un superconduttore a seconda di quanti elettroni vengono aggiunti.

La scoperta ha lanciato un nuovo campo di ricerca sul grafene contorto ad angolo magico, noto come "twistronics". Al Caltech, Stevan Nadj-Perge, assistente professore di fisica applicata e scienza dei materiali, è stato tra i ricercatori a capo della carica:nel 2019, lui ei suoi colleghi hanno visualizzato direttamente le proprietà elettroniche del grafene attorcigliato ad angolo magico su scale di lunghezza atomica; e nel 2020, hanno dimostrato che la superconduttività nel grafene a doppio strato ritorto può esistere lontano dall'angolo magico quando accoppiato a un semiconduttore bidimensionale.

Ora, Nadj-Perge e i suoi colleghi hanno scoperto che il grafene a doppio strato ritorto ad angolo magico ha anche fasi quantistiche topologiche inaspettate. Un articolo sull'opera appare nel numero del 18 gennaio di Natura .

Cosa sono le fasi quantistiche topologiche e perché sono importanti? Tradizionalmente, i materiali sono classificati come isolanti, che impediscono il flusso degli elettroni e quindi non conducono elettricità; metalli, che conducono bene l'elettricità; e semiconduttori, che conducono elettricità tra metalli e isolanti.

Però, quando si applicano forti campi magnetici ai vari tipi di materiali, il comportamento degli elettroni attraverso di essi viene modificato, producendo altri possibili stati, o fasi quantistiche topologiche. Per esempio, sotto forti campi magnetici, la maggior parte di un materiale può diventare isolante mentre le superfici (o bordi, nel caso di un materiale bidimensionale) sono altamente conduttive. Teoricamente, le fasi quantistiche topologiche potrebbero avere molte applicazioni, anche nell'elaborazione dell'informazione quantistica.

Nel nuovo lavoro, Nadj-Perge e colleghi hanno utilizzato la microscopia a effetto tunnel per visualizzare direttamente il grafene a doppio strato attorcigliato con risoluzione atomica, e hanno scoperto che le forti interazioni tra gli elettroni nel grafene a doppio strato attorcigliato consentono l'emergere di queste fasi topologiche senza la necessità di un forte campo magnetico. Hanno anche studiato il grafene attorcigliato ad angoli alternativi, ma trovò che le nuove fasi topologiche erano presenti solo all'angolo magico.

"La scoperta delle fasi topologiche nel grafene a doppio strato ritorto ad angolo magico apre un altro capitolo su questo straordinario materiale e ci avvicina alla comprensione delle sue proprietà elettroniche". dice Nadj-Perge, autore corrispondente dell'articolo. "Più importante, però, i nostri risultati puntano anche verso nuovi modi di ingegneria delle fasi topologiche che possono essere perseguiti in futuro." Questi materiali potrebbero, in teoria, avere molte applicazioni; Per esempio, alcune eccitazioni di fasi topologiche potrebbero essere utilizzate per eseguire l'elaborazione delle informazioni nei futuri computer quantistici.

Il loro articolo è intitolato "Fasi topologiche guidate dalla correlazione nel grafene a doppio strato ritorto ad angolo magico".