Il grafene ad angolo magico è un incredibile materiale multifunzionale, facilmente sintonizzabile tra un insieme diversificato di fasi quantistiche modificandone la temperatura, il campo magnetico e la densità elettronica. Qui, i ricercatori hanno scoperto le firme essenziali della sua fase superconduttiva non convenzionale (giallo), che conduce elettricità con zero resistenza e zero perdita di energia, e il suo regime di pseudogap precedentemente sconosciuto (blu), un precursore apparentemente necessario della superconduttività. Credito:Yazdani Lab, Università di Princeton
La scoperta nel 2018 della superconduttività in due strati di grafene dello spessore di un singolo atomo impilati con un angolo preciso di 1,1 gradi (chiamato grafene a doppio strato contorto ad angolo "magico") è stata una grande sorpresa per la comunità scientifica. Dopo la scoperta, i fisici si sono chiesti se la superconduttività del grafene magico possa essere compresa usando la teoria esistente, o se siano necessari approcci fondamentalmente nuovi, come quelli che vengono schierati per comprendere il misterioso composto ceramico che superconduce ad alte temperature. Ora, come riportato sulla rivista Natura , i ricercatori di Princeton hanno risolto questo dibattito mostrando una sorprendente somiglianza tra la superconduttività del grafene magico e quella dei superconduttori ad alta temperatura. Il grafene magico può essere la chiave per sbloccare nuovi meccanismi di superconduttività, inclusa la superconduttività ad alta temperatura.
Ali Yazdani, professore di fisica della classe 1909 e direttore del Center for Complex Materials dell'Università di Princeton, ha guidato la ricerca. Lui e il suo team hanno studiato molti diversi tipi di superconduttori nel corso degli anni e recentemente hanno rivolto la loro attenzione al grafene magico a doppio strato.
"Alcuni hanno affermato che il grafene magico a doppio strato è in realtà un normale superconduttore mascherato da un materiale straordinario", ha detto Yazdani, "ma quando lo abbiamo esaminato al microscopio ha molte delle caratteristiche dei superconduttori cuprati ad alta temperatura. È un momento di déjà vu".
La superconduttività è uno dei fenomeni più intriganti della natura. È uno stato in cui gli elettroni fluiscono liberamente senza alcuna resistenza. Gli elettroni sono particelle subatomiche che trasportano cariche elettriche negative; sono vitali per il nostro modo di vivere perché alimentano la nostra elettronica quotidiana. In circostanze normali, gli elettroni si comportano in modo irregolare, saltando e spingendosi l'uno contro l'altro in un modo che alla fine è inefficiente e spreca energia.
Ma sotto la superconduttività, gli elettroni si accoppiano improvvisamente e iniziano a fluire all'unisono, come un'onda. In questo stato gli elettroni non solo non perdono energia, ma mostrano anche molte nuove proprietà quantistiche. Queste proprietà hanno consentito una serie di applicazioni pratiche, inclusi magneti per risonanza magnetica e acceleratori di particelle, nonché nella realizzazione di bit quantistici utilizzati per costruire computer quantistici. La superconduttività è stata scoperta per la prima volta a temperature estremamente basse in elementi come alluminio e niobio. Negli ultimi anni è stato trovato vicino alla temperatura ambiente a una pressione straordinariamente alta e anche a temperature appena al di sopra del punto di ebollizione dell'azoto liquido (77 gradi Kelvin) nei composti ceramici.
Ma non tutti i superconduttori sono uguali.
I superconduttori fatti di elementi puri come l'alluminio sono ciò che i ricercatori chiamano convenzionali. Lo stato superconduttivo, in cui gli elettroni si accoppiano, è spiegato da quella che viene chiamata teoria di Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS). Questa è stata la descrizione standard della superconduttività in circolazione dalla fine degli anni '50. Ma a partire dalla fine degli anni '80 sono stati scoperti nuovi superconduttori che non si adattavano alla teoria BCS. I più notevoli tra questi superconduttori "non convenzionali" sono gli ossidi di rame ceramici (chiamati cuprati) che sono rimasti un enigma negli ultimi trent'anni.
La scoperta originale della superconduttività nel grafene magico a doppio strato di Pablo Jarillo-Herrero e del suo team del Massachusetts Institute of Technology (MIT) ha mostrato che il materiale inizia prima come isolante ma, con una piccola aggiunta di portatori di carica, diventa superconduttore. L'emergere della superconduttività da un isolante, piuttosto che da un metallo, è uno dei tratti distintivi di molti superconduttori non convenzionali, incluso il più famoso dei cuprati.
"Sospettavano che la superconduttività potesse essere non convenzionale, come i cuprati, ma sfortunatamente non avevano misurazioni sperimentali specifiche dello stato superconduttore a sostegno di questa conclusione", ha affermato Myungchul Oh, ricercatore post-dottorato associato e uno dei principali coautori di la carta.
Per studiare le proprietà superconduttive del grafene magico a doppio strato, Oh e i suoi colleghi hanno utilizzato un microscopio a effetto tunnel (STM) per osservare il mondo infinitamente piccolo e complesso degli elettroni. Questo dispositivo si basa su un nuovo fenomeno chiamato "tunnel quantico", in cui gli elettroni vengono incanalati tra la punta metallica affilata del microscopio e il campione. Il microscopio utilizza questa corrente di tunneling piuttosto che la luce per visualizzare il mondo degli elettroni su scala atomica.
"L'STM è uno strumento perfetto per fare questo tipo di esperimenti", ha affermato Kevin Nuckolls, uno studente laureato in fisica e uno dei principali coautori dell'articolo. "Ci sono molte misurazioni diverse che STM può fare. Può accedere a variabili fisiche che sono tipicamente inaccessibili ad altre [tecniche sperimentali]."
Quando il team ha analizzato i dati, ha notato due caratteristiche principali, o "firme", che spiccavano, informandoli che il campione di grafene a doppio strato magico mostrava una superconduttività non convenzionale. Il primo segno è stato che gli elettroni accoppiati che superconducono hanno un momento angolare finito, un comportamento analogo a quello riscontrato nei cuprati ad alta temperatura vent'anni fa. Quando le coppie si formano in un superconduttore convenzionale, non hanno un momento angolare netto, in modo analogo a un elettrone legato all'atomo di idrogeno nell'orbitale s dell'idrogeno.
L'STM funziona incanalando gli elettroni dentro e fuori il campione. In un superconduttore, in cui tutti gli elettroni sono accoppiati, la corrente tra il campione e la punta dell'STM è possibile solo quando le coppie del superconduttore vengono spezzate. "Ci vuole energia per rompere la coppia e la dipendenza energetica di questa corrente dipende dalla natura dell'accoppiamento. Nel grafene magico abbiamo trovato la dipendenza energetica che ci si aspetta per l'accoppiamento con momento finito", ha detto Yazdani. "Questa scoperta vincola fortemente il meccanismo microscopico di accoppiamento nel grafene magico."
Il team di Princeton ha anche scoperto come si comporta il grafene magico a doppio strato quando lo stato superconduttore viene estinto aumentando la temperatura o applicando un campo magnetico. Nei superconduttori convenzionali, il comportamento del materiale è lo stesso di un metallo normale quando la superconduttività viene uccisa:gli elettroni si disaccoppiano. Tuttavia, nei superconduttori non convenzionali, gli elettroni sembrano mantenere una certa correlazione anche quando non sono superconduttori, una situazione che si manifesta quando esiste all'incirca un'energia di soglia per rimuovere gli elettroni dal campione. I fisici si riferiscono a questa energia di soglia come a uno "pseudogap", un comportamento che si trova nello stato non superconduttore di molti superconduttori non convenzionali. La sua origine è un mistero da più di vent'anni.
"Una possibilità è che gli elettroni siano ancora in qualche modo accoppiati insieme anche se il campione non è superconduttore", ha detto Nuckolls. "Un tale stato di pseudogap è come un superconduttore guasto."
L'altra possibilità, annotata nella Natura carta, è che un'altra forma di stato elettronico collettivo, responsabile dello pseudogap, deve prima formarsi prima che possa verificarsi la superconduttività.
"Ad ogni modo, la somiglianza di una firma sperimentale di un peusdogap con i cuprati e l'accoppiamento di quantità di moto finita non possono essere tutte una coincidenza", ha detto Yazdani. "Questi problemi sembrano molto correlati."
La ricerca futura, ha detto Oh, comporterà il tentativo di capire cosa causa l'accoppiamento degli elettroni nella superconduttività non convenzionale, un fenomeno che continua a irritare i fisici. La teoria BCS si basa sull'interazione debole tra gli elettroni con il loro accoppiamento reso possibile dalla loro mutua interazione con la vibrazione sottostante degli ioni. L'accoppiamento di elettroni nei superconduttori non convenzionali, tuttavia, è spesso molto più forte che nei metalli semplici, ma la sua causa, la "colla" che li lega insieme, non è attualmente nota.
"Spero che la nostra ricerca aiuterà la comunità dei fisici a comprendere meglio i meccanismi della superconduttività non convenzionale", ha detto Oh. "Speriamo inoltre che la nostra ricerca motiverà i fisici sperimentali a lavorare insieme per scoprire la natura di questo fenomeno."
Lo studio, "Evidence for Unconventional Superconductivity in Twisted Bilayer Graphene", è stato pubblicato il 20 ottobre 2021 sulla rivista Nature . + Esplora ulteriormente
