I ricercatori hanno scoperto un modo per manipolare la forza repulsiva tra gli elettroni nel grafene "ad angolo magico", che fornisce nuove informazioni su come questo materiale è in grado di condurre elettricità con resistenza zero. Credito:Li lab / Brown University
Nel 2018, i fisici hanno dimostrato che accade qualcosa di interessante quando due fogli di grafene nanomateriale vengono posizionati uno sopra l'altro. Quando uno strato viene ruotato di un "angolo magico" di circa 1,1 gradi rispetto all'altro, il sistema diventa un superconduttore, nel senso che conduce elettricità con resistenza zero. Ancora più emozionante, c'erano prove che si trattasse di una forma non convenzionale di superconduttività, un tipo che può verificarsi a temperature ben al di sopra dello zero assoluto, dove funziona la maggior parte dei materiali superconduttori.
Dalla prima scoperta, i ricercatori hanno lavorato per comprendere questo stato esotico della materia. Ora, un team di ricerca guidato dai fisici della Brown University ha trovato un nuovo modo per sondare con precisione la natura dello stato superconduttore nel grafene ad angolo magico. La tecnica consente ai ricercatori di manipolare la forza repulsiva tra le elezioni, l'interazione di Coulomb, nel sistema. In uno studio pubblicato sulla rivista Scienza , i ricercatori mostrano che la superconduttività dell'angolo magico diventa più robusta quando l'interazione di Coulomb è ridotta, un'informazione importante per capire come funziona questo superconduttore.
"Questa è la prima volta che qualcuno ha dimostrato che è possibile manipolare direttamente la forza dell'interazione di Coulomb in un sistema elettronico fortemente correlato, " ha detto Jia Li, un assistente professore di fisica alla Brown e corrispondente autore della ricerca. "La superconduttività è guidata dalle interazioni tra gli elettroni, quindi quando possiamo manipolare quell'interazione, ci dice qualcosa di veramente importante su quel sistema. In questo caso, dimostrare che l'interazione di Coulomb più debole rafforza la superconduttività fornisce un nuovo importante vincolo teorico su questo sistema".
La scoperta originale del 2018 di una superconduttività potenzialmente non convenzionale nel grafene ad angolo magico ha generato un interesse significativo nella comunità dei fisici. Il grafene, fogli di carbonio dello spessore di un atomo, è un materiale relativamente semplice. Se effettivamente supportava la superconduttività non convenzionale, la semplicità del grafene lo renderebbe un luogo ideale per esplorare come funziona il fenomeno, Li dice.
"I superconduttori non convenzionali sono entusiasmanti a causa della loro elevata temperatura di transizione e delle potenziali applicazioni nei computer quantistici, reti elettriche senza perdite e altrove, " ha detto Li. "Ma non abbiamo ancora una teoria microscopica su come funzionano. Ecco perché tutti erano così eccitati quando nel grafene ad angolo magico stava accadendo qualcosa che sembrava una superconduttività non convenzionale. La sua semplice composizione chimica e la regolazione dell'angolo di torsione promettono un'immagine più chiara."
La superconduttività convenzionale è stata spiegata per la prima volta negli anni '50 da un gruppo di fisici che includeva il professore Brown di lunga data e vincitore del premio Nobel Leon Cooper. Hanno mostrato che gli elettroni in un superconduttore distorcono il reticolo atomico di un materiale in un modo che fa sì che gli elettroni formino duetti quantistici chiamati coppie di Cooper, che sono in grado di attraversare quel materiale senza impedimenti. Nei superconduttori non convenzionali, le coppie di elettroni si formano in un modo che si pensa sia leggermente diverso dal meccanismo di Cooper, ma gli scienziati non sanno ancora quale sia questo meccanismo.
Per questo nuovo studio, Li e i suoi colleghi hanno trovato un modo per utilizzare l'interazione di Coulomb per sondare l'accoppiamento di elettroni nel grafene ad angolo magico. L'accoppiamento di Cooper blocca gli elettroni insieme a una distanza specifica l'uno dall'altro. Quell'accoppiamento compete con l'interazione di Coulomb, che sta cercando di allontanare gli elettroni. Se fosse possibile indebolire l'interazione di Coulomb, Le coppie di Cooper dovrebbero in teoria diventare più fortemente accoppiate, rendendo lo stato superconduttore più robusto. Ciò fornirebbe indizi sul fatto che il meccanismo di Cooper stesse accadendo nel sistema.
Per manipolare l'interazione di Coulomb per questo studio, i ricercatori hanno costruito un dispositivo che porta un foglio di grafene ad angolo magico molto vicino a un altro tipo di foglio di grafene chiamato doppio strato di Bernal. Perché i due strati sono così sottili e così vicini tra loro, gli elettroni nel campione dell'angolo magico diventano sempre leggermente attratti dalle regioni caricate positivamente nello strato di Bernal. Quell'attrazione tra gli strati indebolisce efficacemente l'interazione di Coulomb percepita tra gli elettroni all'interno del campione dell'angolo magico, un fenomeno che i ricercatori chiamano screening di Coulomb.
Un attributo dello strato Bernal lo ha reso particolarmente utile in questa ricerca. Lo strato Bernal può essere commutato da conduttore a isolante alterando una tensione applicata perpendicolarmente allo strato. L'effetto di schermatura di Coulomb si verifica solo quando lo strato di Bernal è in fase di conduzione. Quindi, passando dalla conduzione all'isolamento e osservando i corrispondenti cambiamenti nella superconduttività, i ricercatori potevano assicurarsi che ciò che stavano vedendo fosse dovuto allo screening di Coulomb.
Il lavoro ha mostrato che la fase superconduttiva è diventata più forte quando l'interazione di Coulomb è stata indebolita. La temperatura alla quale la fase si è rotta è diventata più alta, ed era più robusto ai campi magnetici, che distruggono i superconduttori.
"Vedere questo effetto Coulomb in questo materiale è stato un po' sorprendente, " Disse Li. "Ci aspetteremmo di vederlo accadere in un superconduttore convenzionale, tuttavia ci sono molte prove che suggeriscono che il grafene ad angolo magico sia un superconduttore non convenzionale. Quindi qualsiasi teoria microscopica di questa fase superconduttiva dovrà tenere conto di queste informazioni".
Li ha detto che i risultati sono un merito per Xiaoxue Liu, ricercatore post-dottorato alla Brown e autore principale dello studio, che ha costruito il dispositivo che ha reso possibili i risultati.
"Nessuno ha mai costruito niente di simile prima, " Disse Li. "Tutto doveva essere incredibilmente preciso fino alla scala nanometrica, dall'angolo di torsione del grafene alla spaziatura tra gli strati. Xiaoxue ha fatto davvero un ottimo lavoro. Abbiamo anche beneficiato della guida teorica di Oskar Vafek, un fisico teorico della Florida State University."
Sebbene questo studio fornisca una nuova informazione fondamentale sul grafene ad angolo magico, c'è molto di più che la tecnica potrebbe rivelare. Per esempio, questo primo studio ha esaminato solo una parte dello spazio delle fasi per la superconduttività dell'angolo magico. È possibile, Li dice, che il comportamento della fase superconduttiva varia nelle diverse parti dello spazio delle fasi, e ulteriori ricerche lo sveleranno.
"La capacità di schermare l'interazione di Coulomb ci offre una nuova manopola sperimentale per aiutare a comprendere questi fenomeni quantistici, " Li ha detto. "Questo metodo può essere utilizzato con qualsiasi materiale bidimensionale, quindi penso che questo metodo sarà utile per aiutare a progettare nuovi tipi di materiali".
