I ricercatori dell'ETH di Zurigo sono riusciti a trasformare i fiocchi di grafene appositamente preparati in isolanti o in superconduttori applicando una tensione elettrica. Questa tecnica funziona anche localmente, il che significa che nelle stesse regioni di fiocchi di grafene con proprietà fisiche completamente diverse possono essere realizzate fianco a fianco.

La produzione di componenti elettronici moderni richiede materiali con proprietà molto diverse. Ci sono isolatori, ad esempio, che non conducono corrente elettrica, e superconduttori che lo trasportano senza perdite. Per ottenere una particolare funzionalità di un componente di solito è necessario unire tra loro più materiali di questo tipo. Spesso non è facile, in particolare quando si tratta di nanostrutture oggi molto diffuse. Un team di ricercatori dell'ETH di Zurigo guidato da Klaus Ensslin e Thomas Ihn del Laboratorio di fisica dello stato solido è ora riuscito a far sì che un materiale si comporti alternativamente come isolante o come superconduttore, o anche come entrambi in posizioni diverse nello stesso materiale. semplicemente applicando una tensione elettrica. I loro risultati sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Nanotecnologia della natura . Il lavoro è stato sostenuto dal Centro Nazionale di Competenza nella Ricerca QSIT (Quantum Science and Technology).

Grafene con un angolo magico

Il materiale utilizzato da Ensslin e dai suoi collaboratori porta il nome un po' ingombrante "Magic Angle Twisted Bilayer Graphene". In realtà, questo nome nasconde qualcosa di piuttosto semplice e noto, vale a dire il carbonio, anche se in una forma particolare e con un tocco speciale. Il punto di partenza per il materiale sono i fiocchi di grafene, che sono strati di carbonio spessi un solo atomo. I ricercatori hanno messo due di quegli strati uno sopra l'altro in modo tale che i loro assi cristallini non siano paralleli, ma piuttosto crea un "angolo magico" di esattamente 1,06 gradi. "È piuttosto complicato, e abbiamo anche bisogno di controllare accuratamente la temperatura dei fiocchi durante la produzione. Di conseguenza, spesso va male, " spiega Peter Rickhaus, che è stato coinvolto negli esperimenti come postdoc.

Nel venti per cento dei tentativi, però, Funziona, e i reticoli cristallini atomici dei fiocchi di grafene creano quindi un cosiddetto modello moiré in cui gli elettroni del materiale si comportano in modo diverso rispetto al grafene ordinario. I motivi moiré sono familiari dalla televisione, ad esempio, dove l'interazione tra un indumento fantasia e le linee di scansione dell'immagine televisiva può portare a interessanti effetti ottici. Sulla parte superiore dei fiocchi di grafene ad angolo magico, i ricercatori attaccano diversi elettrodi aggiuntivi che possono utilizzare per applicare una tensione elettrica al materiale. Quando poi raffreddano tutto fino a pochi centesimi di grado sopra lo zero assoluto, accade qualcosa di straordinario. A seconda della tensione applicata, i fiocchi di grafene si comportano in due modi completamente opposti:o come superconduttore o come isolante. Questa superconduttività commutabile è stata già dimostrata nel 2018 presso il Massachusetts Institute of Technology (MIT) negli Stati Uniti. Ancora oggi solo pochi gruppi in tutto il mondo sono in grado di produrre tali campioni.

Isolante e superconduttore nello stesso materiale

Ensslin e i suoi colleghi stanno facendo un ulteriore passo avanti. Applicando tensioni diverse ai singoli elettrodi, trasformano il grafene ad angolo magico in un isolante in un punto, ma poche centinaia di nanometri di lato diventa un superconduttore.

"Quando l'abbiamo visto, ovviamente abbiamo prima provato a realizzare un incrocio Josephson, "dice Fokko de Vries, che è anche un postdoc nel laboratorio di Ensslins. In tali giunzioni due superconduttori sono separati da uno strato isolante sottilissimo. In questo modo, la corrente non può fluire direttamente tra i due superconduttori, ma deve piuttosto passare attraverso l'isolante in modo quantistico. Quella, a sua volta, fa sì che la conducibilità del contatto vari in funzione della corrente in modo caratteristico, a seconda che si utilizzi corrente continua o alternata.

Possibili applicazioni nelle tecnologie quantistiche

I ricercatori dell'ETH sono riusciti a produrre una giunzione Josephson all'interno dei fiocchi di grafene attorcigliati dall'angolo magico utilizzando diverse tensioni applicate ai tre elettrodi, e anche per misurare le sue proprietà. "Ora che anche questo ha funzionato, possiamo cimentarci con dispositivi più complessi come SQUID, " dice de Vries. Negli SQUID ("dispositivo a interferenza quantistica superconduttore") due giunzioni Josephson sono collegate per formare un anello. Le applicazioni pratiche di tali dispositivi includono misurazioni di piccoli campi magnetici, ma anche tecnologie moderne come i computer quantistici. Per possibili usi nei computer quantistici, un aspetto interessante è che con l'aiuto degli elettrodi i fiocchi di grafene possono essere trasformati non solo in isolanti e superconduttori, ma anche in magneti o cosiddetti isolanti topologici, in cui la corrente può fluire solo in una direzione lungo il bordo del materiale. Questo potrebbe essere sfruttato per realizzare diversi tipi di bit quantistici (qubit) in un unico dispositivo.

Una tastiera per i materiali

"Finora, però, sono solo speculazioni, " dice Ensslin. Eppure, è entusiasta delle possibilità che derivano dal controllo elettrico anche adesso. "Con gli elettrodi, possiamo praticamente suonare il pianoforte sul grafene." Tra l'altro, i fisici sperano che questo li aiuterà a ottenere nuove intuizioni sui meccanismi dettagliati che determinano la superconduttività nel grafene ad angolo magico.