Quando due fogli di grafene sono impilati uno sopra l'altro ad angolo retto, la struttura a strati si trasforma in un superconduttore non convenzionale, consentendo il passaggio di correnti elettriche senza resistenza o spreco di energia.

Questa trasformazione "ad angolo magico" nel grafene a doppio strato è stata osservata per la prima volta nel 2018 nel gruppo di Pablo Jarillo-Herrero, il Cecil e Ida Green Professore di Fisica al MIT. Da allora, gli scienziati hanno cercato altri materiali che possono essere trasformati in modo simile in superconduttività, nel campo emergente della "twistronics". Per la maggior parte, nessun altro materiale ritorto ha mostrato superconduttività oltre al grafene a doppio strato ritorto originale, fino ad ora.

In un documento che appare in Natura , Jarillo-Herrero e il suo gruppo riferiscono di aver osservato la superconduttività in un sandwich di tre fogli di grafene, il cui strato intermedio è attorcigliato con una nuova angolazione rispetto agli strati esterni. Questa nuova configurazione a tre strati mostra una superconduttività più robusta della sua controparte a doppio strato.

I ricercatori possono anche regolare la superconduttività della struttura applicando e variando l'intensità di un campo elettrico esterno. Sintonizzando la struttura a tre strati, i ricercatori sono stati in grado di produrre superconduttività ultra-fortemente accoppiata, un tipo esotico di comportamento elettrico che è stato raramente visto in qualsiasi altro materiale.

"Non era chiaro se il grafene a doppio strato ad angolo magico fosse una cosa eccezionale, ma ora sappiamo che non è solo; ha un cugino nel caso a tre strati, " dice Jarillo-Herrero. "La scoperta di questo superconduttore ipersintonizzabile estende il campo della twistronica in direzioni completamente nuove, con potenziali applicazioni nell'informazione quantistica e nelle tecnologie di rilevamento".

I suoi coautori sono l'autore principale Jeong Min Park e Yuan Cao al MIT, e Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi del National Institute of Materials Science in Giappone.

Una nuova super famiglia

Poco dopo che Jarillo-Herrero e i suoi colleghi hanno scoperto che la superconduttività potrebbe essere generata nel grafene a doppio strato attorcigliato, i teorici hanno proposto che lo stesso fenomeno potesse essere visto in tre o più strati di grafene.

Un foglio di grafene è uno strato sottilissimo di grafite, costituito interamente da atomi di carbonio disposti in un reticolo a nido d'ape, come il più sottile, filo di pollo più robusto. I teorici hanno proposto che se tre fogli di grafene fossero impilati come un sandwich, con lo strato intermedio ruotato di 1,56 gradi rispetto agli strati esterni, la configurazione contorta creerebbe una sorta di simmetria che incoraggerebbe gli elettroni nel materiale ad accoppiarsi e fluire senza resistenza, il segno distintivo della superconduttività.

"Abbiamo pensato, perchè no, proviamoci e mettiamo alla prova questa idea, " dice Jarillo-Herrero.

Park e Cao hanno progettato strutture di grafene a tre strati affettando con cura un singolo foglio sottile di grafene in tre sezioni e impilando ciascuna sezione una sopra l'altra agli angoli precisi previsti dai teorici.

Hanno realizzato diverse strutture a tre strati, ciascuno misura pochi micrometri di diametro (circa 1/100 del diametro di un capello umano), e tre atomi di altezza.

"La nostra struttura è un nanosandwich, " dice Jarillo-Herrero.

Il team ha quindi attaccato gli elettrodi a entrambe le estremità delle strutture, e faceva passare una corrente elettrica misurando la quantità di energia persa o dissipata nel materiale.

"Non abbiamo visto energia dissipata, nel senso che era un superconduttore, "Dice Jarillo-Herrero. "Dobbiamo dare credito ai teorici:hanno azzeccato l'angolo."

Aggiunge che la causa esatta della superconduttività della struttura, se a causa della sua simmetria, come proponevano i teorici, o no, resta da vedere, ed è qualcosa che i ricercatori intendono testare in esperimenti futuri.

"Per il momento abbiamo una correlazione, not a causation, " he says. "Now at least we have a path to possibly explore a large family of new superconductors based on this symmetry idea."

"The biggest bang"

In exploring their new trilayer structure, the team found they could control its superconductivity in two ways. With their previous bilayer design, the researchers could tune its superconductivity by applying an external gate voltage to change the number of electrons flowing through the material. As they dialed the gate voltage up and down, they measured the critical temperature at which the material stopped dissipating energy and became superconductive. In questo modo, the team was able to tune bilayer graphene's superconductivity on and off, similar to a transistor.

The team used the same method to tune trilayer graphene. They also discovered a second way to control the material's superconductivity that has not been possible in bilayer graphene and other twisted structures. By using an additional electrode, the researchers could apply an electric field to change the distribution of electrons between the structure's three layers, without changing the structure's overall electron density.

"These two independent knobs now give us a lot of information about the conditions where superconductivity appears, which can provide insight into the key physics critical to the formation of such an unusual superconducting state, " Park says.

Using both methods to tune the trilayer structure, the team observed superconductivity under a range of conditions, including at a relatively high critical temperature of 3 kelvins, even when the material had a low density of electrons. In confronto, aluminum, which is being explored as a superconductor for quantum computing, has a much higher density of electrons and only becomes superconductive at about 1 kelvin.

"We found magic-angle trilayer graphene can be the strongest coupled superconductor, meaning it superconducts at a relatively high temperature, given how few electrons it can have, " Jarillo-Herrero says. "It gives the biggest bang for your buck."

The researchers plan to fabricate twisted graphene structures with more than three layers to see whether such configurations, with higher electron densities, can exhibit superconductivity at higher temperatures, even approaching room temperature.

"If we could make these structures as they are now, at industrial scale, we could make superconducting bits for quantum computation, or cryogenic superconductive electronics, fotorilevatori, etc. We haven't figured out how to make billions of these at a time, " Jarillo-Herrrero says.

"Our main goal is to figure out the fundamental nature of what underlies strongly coupled superconductivity, " Park says. "Trilayer graphene is not only the strongest-coupled superconductor ever found, but also the most tunable. With that tunability we can really explore superconductivity, everywhere in the phase space."