Pensi di sapere tutto su un materiale? Prova a dargli una svolta, letteralmente. Questa è l'idea principale di un campo emergente nella fisica della materia condensata chiamato "twistronics", che ha portato i ricercatori a modificare drasticamente le proprietà dei materiali 2D, come il grafene, con cambiamenti sottili, piccoli come passare da 1,1° a 1,2°, nell'angolo tra livelli impilati.

È stato dimostrato, ad esempio, che gli strati ritorti di grafene si comportano in modi diversi dai singoli fogli, compreso il comportamento come magneti, come superconduttori elettrici o come l'opposto di un superconduttore, gli isolanti, il tutto a causa di piccoli cambiamenti nell'angolo di torsione tra i fogli.

In teoria, potresti modificare qualsiasi proprietà ruotando una manopola che modifica l'angolo di torsione. La realtà, tuttavia, non è così semplice, afferma il fisico della Columbia Cory Dean. Due strati contorti di grafene possono diventare come un nuovo materiale, ma non è ancora ben compreso il motivo esatto per cui si manifestano queste diverse proprietà, per non parlare di qualcosa che possa essere ancora completamente controllato.

Dean e il suo laboratorio hanno ideato una nuova e semplice tecnica di fabbricazione che potrebbe aiutare i fisici a sondare le proprietà fondamentali degli strati contorti di grafene e di altri materiali 2D in modo più sistematico e riproducibile. Scrivere in Scienza , utilizzano lunghi "nastri" di grafene, anziché scaglie quadrate, per creare dispositivi che offrono un nuovo livello di prevedibilità e controllo sia sull'angolo di torsione che sulla deformazione.

I dispositivi al grafene sono generalmente assemblati da scaglie di grafene sottilissime, di pochi millimetri quadrati. L'angolo di torsione risultante tra i fogli è fisso e può essere difficile sovrapporre insieme i fiocchi in modo uniforme.

"Immaginate il grafene come pezzi di involucro di saran:quando mettete insieme due pezzi si ottengono piccole rughe e bolle casuali", afferma il postdoc Bjarke Jessen, coautore dell'articolo. Quelle bolle e rughe sono simili ai cambiamenti nell'angolo di torsione tra i fogli e alla tensione fisica che si sviluppa nel mezzo e possono far sì che il materiale si deformi, si pieghi e si pizzichi in modo casuale. Tutte queste variazioni possono produrre nuovi comportamenti, ma sono difficili da controllare all'interno e tra i dispositivi.

I nastri possono aiutare a sistemare le cose. La nuova ricerca del laboratorio mostra che, con solo una piccola spinta dalla punta di un microscopio a forza atomica, è possibile piegare un nastro di grafene in un arco stabile che può quindi essere posizionato piatto sopra un secondo strato di grafene non curvo.

Il risultato è una variazione continua nell'angolo di torsione tra i due fogli che si estende da 0° a 5° per tutta la lunghezza del dispositivo, con una tensione distribuita uniformemente su tutta la superficie, senza più bolle o grinze casuali con cui confrontarsi. "Non dobbiamo più realizzare 10 dispositivi separati con 10 angolazioni diverse per vedere cosa succede", ha affermato la postdoc e coautrice Maëlle Kapfer. "E ora possiamo controllare la tensione, cosa che mancava completamente nei precedenti dispositivi contorti."

Il team ha utilizzato speciali microscopi ad alta risoluzione per confermare quanto fossero uniformi i loro dispositivi. Con queste informazioni spaziali, hanno sviluppato un modello meccanico che prevede gli angoli di torsione e i valori di deformazione semplicemente in base alla forma del nastro curvo.

Questo primo articolo si concentrava sulla caratterizzazione del comportamento e delle proprietà dei nastri di grafene e di altri materiali che possono essere assottigliati in singoli strati e impilati uno sopra l'altro. "Ha funzionato con ogni materiale 2D che abbiamo provato finora", ha osservato Dean.

Da qui, il laboratorio prevede di utilizzare la nuova tecnica per esplorare come le proprietà fondamentali dei materiali quantistici cambiano in funzione dell’angolo di torsione e della deformazione. Ad esempio, ricerche precedenti hanno dimostrato che due strati ritorti di grafene si comportano come un superconduttore quando l'angolo di torsione è 1,1.

Tuttavia, ci sono modelli concorrenti per spiegare le origini della superconduttività in questo cosiddetto “angolo magico”, così come previsioni di ulteriori angoli magici che finora sono stati troppo difficili da stabilizzare, ha detto Dean. Con dispositivi realizzati con nastri, che contengono tutti gli angoli compresi tra 0° e 5°, il team può esplorare con maggiore precisione le origini di questo fenomeno e altri.

"Quello che stiamo facendo è come l'alchimia quantistica:prendere un materiale e trasformarlo in qualcos'altro. Ora disponiamo di una piattaforma per esplorare sistematicamente come ciò avvenga", ha affermato Jessen.

Ulteriori informazioni: Maëlle Kapfer et al, Programmazione dell'angolo di torsione e dei profili di deformazione in materiali 2D, Scienza (2023). DOI:10.1126/science.ade9995

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Fornito dalla Columbia University