Il grafene schiacciato diventa un superconduttore

Il grafene intrecciato a doppio strato può essere trasformato in un superconduttore semplicemente schiacciando i due strati più vicini -secondo una squadra internazionale di fisici. L’osservazione dell’effetto conferma una previsione chiave sulle cause di fenomeni correlati agli elettroni nel grafene a doppio strato e potrebbe potenzialmente aiutare a svelare il puzzle della superconduttività non convenzionale.

Il grafene è un foglio di carbonio con un solo atomo di spessore e le sue straordinarie proprietà elettroniche hanno affascinato i fisici dal momento che il materiale indipendente è stato isolato per la prima volta nel 2004. Mentre molto lavoro è stato svolto sulle proprietà degli elettroni all’interno dei fogli di grafene, anche i ricercatori si sono interessati nell’accoppiamento debole che si verifica tra gli elettroni in bistrati di grafene. Infatti, il  Physics World 2018 Breakthrough of the Year  è andato a Pablo Jarillo-Herrero del Massachusetts Institute of Technology e ai colleghi che hanno dimostrato che le proprietà elettroniche di un doppio strato sono fortemente influenzate dall’orientamento relativo dei suoi due fogli di grafene.

Questo effetto è stato previsto diversi anni fa da squadre indipendenti in Cile e negli Stati Uniti, che hanno calcolato che quando due strati sono attorcigliati da un “angolo magico” di circa 1.1° l’uno rispetto all’altro, si verificano “bande piatte“, in cui l’energia cinetica degli elettroni è quasi indipendente dalla loro quantità di moto.

Strani effetti

Questo può avere alcuni effetti strani, spiega il fisico della materia condensata Cory Dean della Columbia University. “Nei materiali normali, il comportamento degli elettroni più energetici è in genere determinato dal termine dell’energia cinetica, e non si preoccupano degli altri elettroni”, spiega. “Ma se la banda è molto piatta, anche gli elettroni più energici hanno un’energia cinetica molto bassa. In tal caso, il sistema diventa più dominato dall’energia di interazione elettrone-elettrone. I sistemi possono spesso fare cose esotiche per ridurre al minimo l’energia di interazione.”

Il grafene è in genere un ottimo conduttore elettrico, ma nel 2018, il gruppo di Jarillo-Herrero ha mostrato che quando le bande piatte erano esattamente riempite per metà di elettroni, il doppio strato si comporta come un isolante. I ricercatori hanno attribuito questo alla localizzazione degli elettroni mediante interazioni elettrone-elettrone tra gli strati di grafene.

Molte caratteristiche di questa superconduttività – come la sua vicinanza a uno stato isolante – hanno sorprendenti somiglianze con quelle dei superconduttori di tipo II come cuprati e pnictidi. Scoperti nel 1986, questi materiali sono di notevole interesse tecnologico perché rimangono superconduttori a temperature relativamente elevate e forze di campo magnetico altrettanto elevate.

Cambiamento sistematico

Il meccanismo per la superconduttività di tipo II è rimasto elusivo, in parte perché i materiali sono difficili da studiare in modo sistematico. “Se vuoi cambiare qualcosa nel sistema, come il reticolo costante, devi creare un materiale completamente nuovo”, spiega Dean. “Allora vieni coinvolto in discussioni su cos’altro è cambiato.” Questo ha complicato gli sforzi per ottimizzare i materiali di tipo II e forse produrre superconduttori a temperatura ambiente.

Ora, Dean e colleghi negli Stati Uniti e in Giappone hanno prodotto più campioni di grafene a doppio strato, alcuni con angolo di torsione di 1,1 °; alcuni con maggiori angoli di torsione. Come previsto, i campioni con angolo di torsione di 1,1 ° hanno mostrato la superconduttività prima di essere compressi mentre quelli con angoli di torsione maggiori no. Tuttavia, quando la pressione è stata applicata a campioni con angoli di torsione superiori a 1,1 °, i doppi strati sono diventati superconduttori.

Dean spiega che il valore dell’angolo magico è correlato alla natura dell’accoppiamento interstrato, che viene modificato comprimendo il doppio strato a pressioni maggiori di 10.000 atm. Anche la temperatura critica del superconduttore è leggermente aumentata da 1 K a 3 K. Questo è in linea con una previsione teorica che la temperatura critica del superconduttore aumenta sistematicamente con l’angolo magico e la pressione – ma Dean dice che “devono essere correttamente testati”.

Infatti, Dean afferma che i doppi strati compressi sono un’utile piattaforma per studiare i superconduttori di tipo II: “[Abbiamo] dimostrato quanto incredibilmente sintonizzabili questi sistemi. Possiamo passare dal superconduttore al metallo agli stati isolanti su vaste gamme di temperatura, pressione e campo magnetico senza modificare la composizione. Questo potrebbe rendere questo tipo di superconduttività un problema molto più trattabile.”

“Penso che sia un risultato molto significativo”, afferma Jarillo-Herrero. “Prima di tutto, essendo il primo [esperimento] che conferma i nostri risultati, dà credibilità all’intero campo. In secondo luogo, sebbene l’accordatura per pressione sia difficile da applicare, e non sono sicuro di quanti altri gruppi lo seguiranno, offre molte opportunità di pensare a esperimenti complementari e applicarli ad altri sistemi 2D”.