Il carbonio non è l'elemento più brillante, né il più reattivo, né il più raro. Ma è uno dei più versatili.

Il carbonio è la spina dorsale della vita sulla terra e dei combustibili fossili che sono il risultato della scomparsa della vita antica. Il carbonio è l'ingrediente essenziale per trasformare il ferro in acciaio, che è alla base delle tecnologie dalle spade medievali ai grattacieli e ai sottomarini. E le fibre di carbonio resistenti e leggere sono utilizzate in automobili, aerei e mulini a vento. Anche solo il carbonio da solo è straordinariamente adattabile:è l'unico ingrediente (tra le altre cose) in diamanti, buckyball e grafite (la materia usata per fare la mina).

Quest'ultima forma, la grafite, è a prima vista la più banale, ma i suoi fogli sottili ospitano una ricchezza di fisica non comune. La ricerca sui singoli fogli di grafite dello spessore di un atomo, chiamati grafene, è decollata dopo il 2004, quando gli scienziati hanno sviluppato un modo affidabile per produrlo (usando il nastro adesivo di tutti i giorni per staccare ripetutamente gli strati). Nel 2010 i primi esperimenti che hanno dimostrato la ricchezza quantistica del grafene hanno fatto guadagnare a due ricercatori il Premio Nobel per la fisica.

Negli ultimi anni, il grafene ha continuato a cedere. I ricercatori hanno scoperto che impilare strati di grafene due o tre alla volta (chiamati, rispettivamente, grafene a doppio strato o grafene a tre strati) e attorcigliare gli strati l'uno rispetto all'altro apre un nuovo territorio fertile che gli scienziati possono esplorare. La ricerca su questi fogli impilati di grafene è come il selvaggio West, completo del richiamo dell'oro sorprendente e dell'incertezza di un territorio inesplorato.

I ricercatori del JQI e del Condensed Matter Theory Center (CMTC) dell'Università del Maryland, inclusi i borsisti JQI Sankar Das Sarma e Jay Sau e altri, sono impegnati a creare le basi della fisica teorica che saranno una mappa di questo nuovo paesaggio. E c'è molto da mappare; i fenomeni nel grafene vanno dal familiare come il magnetismo a cose più esotiche come la strana metallicità, diverse versioni dell'effetto Hall quantistico e l'effetto Pomeranchuk, ognuno dei quali coinvolge gli elettroni che si coordinano per produrre comportamenti unici. Una delle vene più promettenti per il tesoro scientifico è la comparsa della superconduttività (flusso elettrico senza perdite) nel grafene impilato.

"Ecco un sistema in cui quasi tutte le fasi quantistiche interessanti della materia che i teorici potrebbero mai immaginare si manifestano in un unico sistema poiché l'angolo di torsione, la densità del vettore e la temperatura sono sintonizzati in un singolo campione in un singolo esperimento", afferma Das Sarma, che è anche il Direttore del CMTC. "Suona come magia o fantasia scientifica, tranne per il fatto che sta accadendo ogni giorno in almeno dieci laboratori nel mondo."

La ricchezza e la diversità dei comportamenti elettrici nelle pile di grafene ha ispirato una fuga precipitosa di ricerca. L'American Physical Society March Meeting del 2021 ha incluso 13 sessioni che hanno affrontato i temi del grafene o dei doppi strati contorti e Das Sarma ha ospitato una conferenza virtuale di un giorno a giugno per i ricercatori per discutere il grafene contorto e la ricerca correlata ispirata all'argomento. L'argomento del grafene impilato è ampiamente rappresentato nelle riviste scientifiche e il server di prestampa online arXiv ha oltre 2.000 articoli pubblicati sul "grafene a doppio strato", quasi 1.000 dal 2018.

Forse sorprendentemente, la ricchezza di opportunità di ricerca quantistica del grafene è legata alla sua semplicità fisica.

Il grafene è un foglio a nido d'ape ripetuto con un atomo di carbonio che risiede ad ogni angolo. Gli atomi di carbonio si tengono saldamente l'uno all'altro, rendendo non comuni le imperfezioni nel modello. Ogni atomo di carbonio fornisce un elettrone che può muoversi liberamente tra gli atomi e le correnti elettriche sono molto brave a viaggiare attraverso i fogli risultanti. Inoltre, il grafene è leggero, ha una resistenza alla trazione più di 300 volte maggiore di quella dell'acciaio ed è insolitamente buono per assorbire la luce. Queste caratteristiche lo rendono comodo da usare ed è anche facile da ottenere.

La struttura pura e coerente del grafene è un'eccellente incarnazione dell'ideale fisico di un materiale solido bidimensionale. Questo lo rende il terreno di gioco perfetto per capire come si svolge la fisica quantistica nel materiale senza che i ricercatori debbano preoccuparsi delle complicazioni dovute al disordine aggiuntivo che si verifica nella maggior parte dei materiali. Ci sono poi una serie di nuove proprietà che vengono sbloccate impilando strati di grafene uno sopra l'altro. Ogni strato può essere ruotato (da quello che gli scienziati chiamano "angolo di torsione") o spostato rispetto al modello esagonale dei suoi vicini.

Le proprietà strutturali ed elettriche del grafene rendono facile cambiare il panorama quantistico che gli elettroni sperimentano in un esperimento, offrendo ai ricercatori diverse opzioni su come personalizzare o ottimizzare le proprietà elettriche del grafene. La combinazione di questi elementi costitutivi di base ha già portato a una vasta gamma di risultati diversi e non hanno finito di sperimentare.

Un fiorire 'magico'

Nel mondo quantistico degli elettroni nel grafene, il modo in cui gli strati si trovano uno sopra l'altro è importante. Quando i fogli adiacenti in un doppio strato sono attorcigliati l'uno rispetto all'altro, alcuni atomi nel foglio superiore finiscono quasi al di sopra del loro vicino corrispondente mentre in altri punti gli atomi finiscono lontano (su scala atomica) da qualsiasi atomo nell'altro foglio . Queste differenze formano schemi giganteschi e ripetuti simili alla distribuzione degli atomi nel foglio singolo ma su una scala molto più lunga, come mostrato nell'immagine in cima alla storia e nella visuale interattiva qui sotto.

Ogni cambiamento dell'angolo cambia anche la scala del modello più ampio che forma il paesaggio quantistico attraverso il quale viaggiano gli elettroni. Gli ambienti quantistici formati da vari schemi ripetitivi (o dalla mancanza di organizzazione) sono uno dei motivi principali per cui gli elettroni si comportano in modo diverso in vari materiali; in particolare, l'ambiente quantistico di un materiale determina le interazioni sperimentate dagli elettroni. Quindi ogni minuscolo giro di uno strato di grafene apre un nuovo mondo di possibilità elettriche.

"Questa svolta è davvero una nuova manopola di sintonia che era assente prima della scoperta di questi materiali 2D", afferma Fengcheng Wu, che ha lavorato alla ricerca sul grafene con Das Sarma come post-dottorato JQI e CMTC e ora collabora con lui come professore a Wuhan Università in Cina. "In fisica, non abbiamo troppe manopole di sintonizzazione. Abbiamo temperatura, pressione, campo magnetico e campo elettrico. Ora abbiamo una nuova manopola di sintonizzazione che è una cosa importante. E questo angolo di rotazione offre anche nuove opportunità di studio fisica."

I ricercatori hanno scoperto che con uno speciale, piccolo angolo di torsione (circa 1,1 gradi), chiamato stranamente "angolo magico", l'ambiente è perfetto per creare forti interazioni che cambiano radicalmente le sue proprietà. Quando viene raggiunto quell'angolo preciso, gli elettroni tendono a raggrupparsi attorno a determinate aree del grafene e nuovi comportamenti elettrici appaiono improvvisamente come se evocati con un drammatico gesto di mago. Il grafene ad angolo magico in alcune circostanze si comporta come un isolante poco conduttivo e in altri casi va all'estremo opposto dell'essere un superconduttore, un materiale che trasporta elettricità senza alcuna perdita di energia.

La scoperta del grafene ad angolo magico e che ha determinati comportamenti quantistici simili a un superconduttore ad alta temperatura è stata la svolta dell'anno 2018 di Physics World. I superconduttori hanno molti potenziali usi preziosi, come la rivoluzione delle infrastrutture energetiche e la realizzazione di treni a levitazione magnetica efficienti. Trovare un superconduttore conveniente a temperatura ambiente è stato un Santo Graal per gli scienziati.

La scoperta di una nuova promettente forma di superconduttività e una pletora di altre stranezze elettriche, tutte con una nuova comoda manopola con cui giocare, sono sviluppi significativi, ma la cosa più eccitante per i fisici sono tutte le nuove domande che le scoperte hanno sollevato. Das Sarma ha studiato molti aspetti del grafene stratificato, ottenendo più di 15 articoli sull'argomento dal 2019; dice che due delle domande che lo interessano di più sono come il grafene diventa superconduttore e come diventa magnetico.

"Vari multistrati di grafene si stanno rivelando un terreno di gioco più ricco per la fisica rispetto a qualsiasi altra materia condensata conosciuta o sistema atomico collettivo:il verificarsi di superconduttività, magnetismo, isolante correlato, metallo strano qui è accoppiato con una topologia non banale sottostante, fornendo un'interazione tra interazione, struttura della banda e topologia che è unica e senza precedenti", afferma Das Sarma. "Il soggetto dovrebbe rimanere a lungo in prima linea nella ricerca."

Strani compagni di letto

Gli scienziati conoscono da molto tempo la superconduttività e il magnetismo, ma il grafene non è dove si aspettavano di trovarli. Trovare entrambi individualmente è stata una sorpresa, ma gli scienziati hanno anche scoperto che i due fenomeni si verificano simultaneamente in alcuni esperimenti.

La superconduttività e il magnetismo sono solitamente antagonisti, quindi la loro presenza insieme in una pila di grafene suggerisce che sta accadendo qualcosa di insolito. I ricercatori, come Das Sarma, sperano che scoprire quali interazioni portano a questi fenomeni nel grafene darà loro una comprensione più profonda della fisica sottostante e forse permetterà loro di scoprire più materiali con proprietà esotiche e utili.

Un accenno al tesoro che forse attende di essere scoperto sono le misurazioni delle proprietà elettriche del grafene a doppio strato contorto, che assomigliano ai comportamenti osservati in alcuni superconduttori ad alta temperatura. Ciò suggerisce che il grafene potrebbe essere cruciale per risolvere i misteri che circondano la superconduttività ad alta temperatura.

Gli indizi attuali indicano che le peculiarità delle interazioni degli elettroni sono la chiave per comprendere l'argomento. La superconduttività richiede che gli elettroni si accoppino, quindi le interazioni che guidano l'accoppiamento negli stack di grafene sono naturalmente interessanti.

In un articolo pubblicato su Physical Review B , Das Sarma, Wu ed Euyheon Hwang, che in precedenza era un ricercatore JQI e ora è professore alla Sungkyunkwan University in Corea del Sud, hanno proposto che ciò che lega coppie di elettroni nel grafene a doppio strato contorto potrebbe essere sorprendentemente banale. Pensano che il meccanismo di accoppiamento possa essere lo stesso di quello dei superconduttori più conosciuti. Ma pensano anche che l'origine convenzionale possa portare a coppie non convenzionali.

La loro analisi suggerisce che non sono solo le interazioni che gli elettroni hanno tra loro ad essere potenziate all'angolo magico, ma anche le interazioni dell'elettrone con le vibrazioni degli atomi di carbonio. Le vibrazioni, chiamate fononi, sono la versione quantomeccanica del suono e altre vibrazioni nei materiali.

Nei superconduttori meglio conosciuti, sono i fononi che legano gli elettroni a coppie. In questi superconduttori, gli elettroni associati devono avere valori opposti del loro spin, una proprietà quantistica correlata al modo in cui le particelle quantistiche si orientano in un campo magnetico. Ma la teoria del team suggerisce che nel grafene questo tradizionale meccanismo di accoppiamento può non solo accoppiare elettroni con spin opposti, ma anche accoppiare elettroni con lo stesso spin. La loro descrizione del metodo di accoppiamento fornisce una possibile spiegazione per aiutare a comprendere la superconduttività nel grafene a doppio strato contorto e nei materiali a base di grafene più in generale.

"La superconduttività non convenzionale è molto ricercata in fisica, poiché è esotica di per sé e può anche trovare applicazioni nell'informatica quantistica topologica", afferma Wu. "La nostra teoria fornisce un meccanismo convenzionale verso la superconduttività non convenzionale."

Più recentemente, Das Sarma, Sau, Wu e Yang-Zhi Chou, che è un ricercatore post-dottorato di JQI e CMTC, hanno collaborato per sviluppare uno strumento per aiutare gli scienziati a comprendere una varietà di pile di grafene. Un articolo su questa ricerca è stato recentemente accettato in Physical Review Letters. Hanno creato un quadro teorico per esplorare il modo in cui gli elettroni si comportano su una griglia esagonale. Sono stati ispirati da esperimenti sul grafene a tre strati contorto ad angolo magico. Il grafene a tre strati ritorto ha lo strato intermedio attorcigliato rispetto agli strati superiore e inferiore, come un sandwich al formaggio con la fetta attorcigliata in modo che gli angoli sporgano. Questo sandwich al grafene ha attirato l'attenzione perché ospita la superconduttività a una temperatura superiore rispetto alla versione a due strati.

Il modello teorico del team fornisce una descrizione del comportamento degli elettroni in un particolare mondo quantistico. Usandolo sul caso del grafene a tre strati contorto, hanno dimostrato che l'accoppiamento non comune di elettroni con lo stesso spin potrebbe dominare il comportamento degli elettroni ed essere la fonte della superconduttività del grafene a tre strati contorto.

Questo nuovo strumento fornisce un punto di partenza per lo studio di altri esperimenti sul grafene. E il modo in cui il meccanismo di accoppiamento identificato influenza gli elettroni potrebbe essere significativo nelle future discussioni sul ruolo del magnetismo negli esperimenti con il grafene.

Il magnetismo nel grafene impilato è il suo misterioso trucco magico. Il magnetismo non si trova nella grafite o nei singoli strati di grafene, ma appare in qualche modo quando le pile si allineano. È particolarmente degno di nota perché la superconduttività e il magnetismo normalmente non possono coesistere in un materiale come appaiono nelle pile di grafene.

"Questo stato superconduttore non convenzionale nel grafene a tre strati contorto può resistere a un ampio campo magnetico, una proprietà che si vede raramente in altri materiali superconduttori conosciuti", afferma Chou.

In un altro articolo in Physical Review B , Das Sarma e Wu hanno affrontato l'enigma della presenza simultanea di superconduttività e magnetismo nel grafene a doppio strato contorto, un sistema simile al grafene a doppio strato ma in cui la torsione è tra due coppie di fogli di grafene allineati (per un totale di quattro fogli). Questa costruzione con strati aggiuntivi ha attirato l'attenzione perché crea un ambiente quantistico più sensibile di un doppio strato di base a un campo elettrico applicato attraverso lo stack, offrendo ai ricercatori una maggiore capacità di modificare la superconduttività e il magnetismo e osservarli in diverse situazioni quantistiche.

Nel documento, il team fornisce una spiegazione della fonte del magnetismo e di come un campo elettrico applicato potrebbe produrre il cambiamento osservato nel comportamento magnetico di una pila. Credono che il magnetismo nasca in un modo completamente diverso rispetto ai magneti più comuni, come i magneti da frigorifero a base di ferro. In un magnete di ferro, i singoli atomi di ferro hanno ciascuno il proprio piccolo campo magnetico. Ma il team ritiene che nel grafene gli atomi di carbonio non stiano diventando magnetici. Invece, pensano che il magnetismo provenga da elettroni che si muovono liberamente lungo il foglio.

La loro teoria suggerisce che il grafene a doppio doppio strato diventa magnetico a causa del modo in cui gli elettroni si allontanano meglio l'un l'altro nel particolare ambiente quantistico. Questa spinta aggiuntiva potrebbe portare gli elettroni a coordinare i loro singoli campi magnetici per creare un campo più ampio.

La coordinazione degli spin degli elettroni potrebbe anche essere rilevante per l'accoppiamento di elettroni e la formazione di potenziale superconduttività. Lo spin può essere immaginato come una freccia che vuole allinearsi con qualsiasi campo magnetico circostante. La superconduttività normalmente fallisce quando il magnetismo è abbastanza forte da lacerare i due spin opposti. Ma entrambi gli spin allineati nelle coppie spiegherebbero i due fenomeni che coesistono pacificamente negli esperimenti sul grafene.

Intorno alla prossima svolta del fiume

Sebbene queste teorie servano da guida per i ricercatori che avanzano nel territorio inesplorato della ricerca sul grafene, sono lontane dall'essere una mappa definitiva. Alla conferenza organizzata da Das Sarma a giugno, un ricercatore ha presentato nuove osservazioni sulla superconduttività in tre fogli di grafene impilati senza alcuna torsione. Queste pile si sfalsano in modo che nessuno dei livelli sia uno sopra l'altro; ogni esagono ha alcuni dei suoi atomi di carbonio posti al centro degli esagoni degli altri strati. L'esperimento ha rivelato due distinte aree di superconduttività, una delle quali è disturbata dal magnetismo e l'altra no. Ciò suggerisce che la svolta potrebbe non essere l'ingrediente magico che produce tutti i fenomeni esotici, ma solleva anche nuove domande, offre un percorso per identificare quali comportamenti elettronici sono creati o migliorati dalla svolta "magica" e offre una nuova opportunità per indagare le fonti fondamentali della fisica sottostante.

Ispirati da questo lavoro e da precedenti osservazioni del magnetismo nella stessa collaborazione di Das Sarma, Sau, Wu e Chou hanno esplorato matematicamente il modo in cui l'accoppiamento fononico degli elettroni potrebbe verificarsi in queste pile senza torsione. L'analisi del team suggerisce che l'accoppiamento fononico è il probabile driver di entrambi i tipi di superconduttività, con uno che si verifica con spin corrispondenti e uno con spin opposti. Questo lavoro, guidato da Chou, è stato recentemente accettato in Lettere di revisione fisica ed è stato scelto come suggerimento della redazione di PRL.

Questi risultati rappresentano solo una frazione del lavoro sugli esperimenti sul grafene presso JQI e CMTC, e molti altri ricercatori hanno affrontato ulteriori aspetti di questo ricco argomento. Ma c'è ancora molto da scoprire e capire prima che l'argomento del grafene stratificato venga tracciato e addomesticato. Queste prime scoperte suggeriscono che man mano che i ricercatori scavano più a fondo, potrebbero scoprire nuove vene di ricerca che rappresentano una ricchezza di opportunità per comprendere la nuova fisica e forse anche sviluppare nuove tecnologie.

"Le applicazioni sono difficili da prevedere, ma l'estrema sintonizzabilità di questi sistemi che mostrano così tante fasi e fenomeni diversi rende probabile che potrebbero esserci applicazioni", afferma Das Sarma. "In questa fase, è una ricerca fondamentale molto eccitante". + Esplora ulteriormente

I ricercatori osservano la rottura della simmetria di traslazione nel grafene a doppio strato contorto