Un team guidato dalla Columbia University ha sviluppato un nuovo metodo per mettere a punto finemente strati adiacenti di fogli di atomi di carbonio simili al grafene, a nido d’ape, per indurre la superconduttività. La loro ricerca fornisce nuove intuizioni sulla fisica alla base delle caratteristiche intriganti di questo materiale bidimensionale.
Il lavoro dimostra nuovi modi per indurre la superconduttività nel grafene a doppio strato intrecciato, in particolare, ottenuto applicando una pressione, ha dichiarato Cory Dean, assistente professore di fisica presso la Columbia e investigatore principale dello studio. “Fornisce anche la prima conferma fondamentale dei risultati del MIT dello scorso anno – che il grafene a doppio strato può esibire proprietà elettroniche se ruotato ad angolo – e migliora la nostra comprensione del sistema, che è estremamente importante per questo nuovo campo di ricerca“. Nel mese di marzo del 2018, i ricercatori del Massachusetts Institute of Technology hanno riportato una scoperta rivoluzionaria secondo cui due strati di grafene possono condurre elettricità senza resistenza quando l’angolo di torsione tra loro è di 1,1 gradi, indicato come “angolo magico”.
Le proprietà del grafene
Ma raggiungere quell’angolo magico si è rivelato difficile. Gli strati devono essere ruotati di circa un decimo di grado intorno a 1,1, il che è sperimentalmente difficile, ha detto Dean. “Abbiamo scoperto che errori di allineamento molto piccoli potrebbero dare risultati completamente diversi“.
Quindi Dean e i suoi colleghi, tra cui scienziati dell’Istituto nazionale per la Scienza dei Materiali e l’Università della California, Santa Barbara, hanno deciso di verificare se le condizioni dell’angolo magico potevano essere raggiunte a rotazioni più grandi. “Piuttosto che cercare di controllare con precisione l’angolo, abbiamo chiesto se potevamo invece variare la spaziatura tra gli strati“, ha detto Matthew Yankowitz, uno scienziato di ricerca post-dottorato nel dipartimento di fisica della Columbia e primo autore dello studio. “In questo modo, qualsiasi angolo di torsione potrebbe, in linea di principio, essere trasformato in un angolo magico“.
Hanno studiato un campione con angolo di torsione di 1,3 gradi, solo leggermente più grande dell’angolo magico, ma ancora abbastanza lontano da precludere la superconduttività. L’applicazione della pressione trasforma il materiale da un metallo in un isolante – in cui l’elettricità non può fluire – o un superconduttore – dove la corrente elettrica può passare senza resistenza – a seconda del numero di elettroni nel materiale.
Applicando una pressione di oltre 10.000 atmosfere, si può osservare l’emergere delle fasi isolanti e superconduttive, ha affermato Dean. Inoltre, la superconduttività si sviluppa alla massima temperatura osservata finora nel grafene, appena sopra i 3 gradi sopra lo zero assoluto. Per raggiungere le alte pressioni necessarie per indurre la superconduttività, il team ha lavorato a stretto contatto con la struttura utente National High Magnetic Field, nota come Maglab, a Tallahassee, in Florida.
“Questo sforzo è stato un’enorme sfida tecnica“, ha dichiarato Dean. “Dopo aver fabbricato uno dei dispositivi più unici con cui abbiamo mai lavorato, abbiamo quindi dovuto combinare temperature criogeniche, alti campi magnetici e alta pressione – il tutto mentre si misurava la risposta elettrica”. I ricercatori ritengono che sia possibile migliorare ulteriormente la temperatura critica della superconduttività a pressioni ancora più elevate. L’obiettivo finale è quello di sviluppare un giorno un superconduttore in grado di funzionare in condizioni di temperatura ambiente e, anche se questo potrebbe rivelarsi impegnativo con il grafene, potrebbe servire come una tabella di marcia per raggiungere questo obiettivo in altri materiali.
Andrea Young, assistente professore di fisica presso l’UC Santa Barbara, un collaboratore dello studio, ha detto che il lavoro dimostra chiaramente che spremere gli strati ha lo stesso effetto di torcerli, e offre un paradigma alternativo per manipolare le proprietà elettroniche nel grafene.