I ricercatori del MIT hanno conseguito una scoperta fondamentale, rivelando prove evidenti di superconduttività non convenzionale nel grafene a 3 strati ritorto ad angolo magico. Questa svolta è stata resa possibile da un nuovo sistema di misurazione che ha rivelato una chiara lacuna superconduttiva a forma di V.
La nuova frontiera della superconduttività: la scoperta del grafene a 3 strati
Questa specifica forma della lacuna indica l’esistenza di un nuovo meccanismo di accoppiamento degli elettroni, sostanzialmente diverso da quello che caratterizza i superconduttori tradizionali. Il risultato non solo illumina i complessi comportamenti quantistici che si manifestano nei materiali ultrasottili, ma è anche destinato ad accelerare in modo significativo la ricerca sulla superconduttività a temperatura ambiente.
I superconduttori possono essere paragonati a dei treni ad alta velocità per l’elettricità. Essi permettono alla corrente elettrica di fluire senza incontrare alcuna resistenza e, crucialmente, senza alcuna perdita di energia. Questa straordinaria efficienza li rende materiali indispensabili per tecnologie avanzate già in uso, come gli scanner per la risonanza magnetica (MRI) e gli acceleratori di particelle.
Nonostante la loro efficienza, i superconduttori attuali presentano un notevole inconveniente: per mantenere il loro stato superconduttivo, richiedono temperature estremamente basse. Ciò implica la necessità di sistemi di raffreddamento complessi e onerosi.
Se gli scienziati riuscissero a creare materiali superconduttori capaci di operare a temperature più elevate e prossime a quella ambiente, la tecnologia ne risulterebbe rivoluzionata. Questo porterebbe alla realizzazione di reti e linee elettriche con zero perdite e renderebbe i computer quantistici molto più pratici. Per raggiungere questo obiettivo cruciale, la ricerca, guidata da istituzioni come il MIT, si sta concentrando intensamente sui superconduttori “non convenzionali”, i quali rappresentano la chiave per questo prossimo, grande balzo in avanti.
Nuove e convincenti prove nel grafene intrecciato
I fisici del MIT hanno recentemente annunciato nuove e convincenti prove a supporto della superconduttività non convenzionale nel grafene a tre strati intrecciato ad angolo magico (MATTG). Questo materiale innovativo è creato sovrapponendo tre fogli ultrasottili di grafene con una torsione estremamente precisa, un’angolazione che gli conferisce sorprendenti proprietà elettroniche assenti nei materiali ordinari.
I risultati di questa ricerca rappresentano la prova più solida finora che il MATTG ospiti una forma atipica di superconduttività. Sebbene precedenti esperimenti avessero già suggerito comportamenti insoliti, la novità consiste nella misurazione diretta del gap superconduttivo del MATTG. Il gap è una proprietà fondamentale che indica la stabilità dello stato superconduttivo del materiale a determinate temperature.
Ciò che il team di ricerca ha osservato è un modello sorprendentemente diverso da quello tipico dei superconduttori convenzionali. Questa differenza rivela che il modo in cui il MATTG raggiunge lo stato superconduttore segue un meccanismo completamente nuovo e non convenzionale.
Secondo Shuwen Sun, coautore principale dello studio e studente laureato presso il Dipartimento di Fisica del MIT, esistono molti meccanismi diversi che possono portare alla superconduttività. La misurazione del gap superconduttivo fornisce un indizio cruciale sul tipo di meccanismo in gioco, portando la ricerca verso l’obiettivo finale: la creazione di superconduttori a temperatura ambiente, che beneficerebbero l’intera società umana.
Per raggiungere queste osservazioni rivoluzionarie, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo apparato sperimentale che consente il monitoraggio diretto della formazione del gap superconduttore nei materiali bidimensionali. Il team, che include anche Jeong Min Park, Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi, intende ora applicare questo approccio per studiare il MATTG in modo più dettagliato ed esplorare altri materiali 2D, nella speranza di identificare nuovi candidati capaci di trasformare le tecnologie energetiche e informatiche.
Il grafene è un materiale costituito da un singolo strato di atomi di carbonio disposti in un reticolo esagonale simile a una rete metallica. Un foglio sottile quanto un atomo può essere isolato attraverso un’attenta esfoliazione da un blocco di grafite, lo stesso materiale che si trova nelle mine delle matite.
Già negli anni 2010, i teorici avevano ipotizzato che l’impilamento di due strati di grafene con un’angolazione molto specifica avrebbe portato a comportamenti elettronici insoliti. Nel 2018, il professor Pablo Jarillo-Herrero e i suoi colleghi del MIT furono i primi a produrre sperimentalmente il grafene ad angolo magico e a osservarne le straordinarie proprietà. Questa scoperta ha dato il via a un campo di ricerca completamente nuovo denominato “twistronics”, che si occupa dello studio di materiali atomicamente sottili con una torsione precisa. Da allora, il gruppo di Jarillo-Herrero ha continuato a esplorare configurazioni con due, tre e più strati, rivelando diverse firme di superconduttività non convenzionale in alcune di esse.
La superconduttività è uno stato che un materiale può assumere in determinate condizioni, tipicamente a temperature molto basse. In questo stato, gli elettroni si accoppiano in quelle che sono note come “coppie di Cooper”, anziché respingersi. Questo accoppiamento permette agli elettroni di scivolare attraverso il materiale senza attrito e senza disperdersi sotto forma di energia.
Mentre nei superconduttori convenzionali gli elettroni in queste coppie sono generalmente distanti e debolmente legati, il coautore Jeong Min Park sottolinea che nel grafene ad angolo magico si sono osservate firme che indicano che queste coppie sono legate in modo eccezionalmente saldo, quasi come una molecola. Questi indizi suggerivano già l’esistenza di qualcosa di profondamente diverso in questo materiale.
Il professor Jarillo-Herrero conclude che una profonda comprensione di un superconduttore non convenzionale come il MATTG potrebbe innescare la comprensione di tutti gli altri. Questa conoscenza potrebbe a sua volta guidare la progettazione di superconduttori funzionanti a temperatura ambiente, che rappresentano, come afferma, il vero Sacro Graal dell’intero settore.
L’obiettivo: misurare il gap superconduttivo
Nel loro nuovo studio, il professor Jarillo-Herrero e i suoi colleghi si sono concentrati sull’osservazione e la conferma diretta della superconduttività non convenzionale in una specifica struttura di grafene ad angolo magico. A tal fine, è stato cruciale misurare il gap superconduttivo del materiale.
Come spiega Park, quando un materiale diventa superconduttore, gli elettroni si muovono insieme a coppie, non singolarmente, e ciò porta alla formazione di un “gap” energetico. La forma e la simmetria di questo gap rivelano la natura sottostante del fenomeno superconduttivo.
Tradizionalmente, gli scienziati misurano il gap superconduttivo utilizzando tecniche specializzate come la spettroscopia a effetto tunnel. Questa tecnica sfrutta l’effetto tunnel della meccanica quantistica, una proprietà che consente a un elettrone di “attraversare un tunnel” attraverso un materiale. Le misurazioni del tunneling danno un’indicazione di quanto sia facile per un elettrone penetrare in un materiale e, di conseguenza, di quanto gli elettroni siano strettamente legati.
La spettroscopia a effetto tunnel da sola non sempre conferma se il materiale sia effettivamente in uno stato superconduttore. Collegare in modo diretto il segnale di tunneling a un autentico gap superconduttivo è stata una sfida sperimentale significativa.
Per superare questo ostacolo, Park e il suo team hanno creato un nuovo apparato sperimentale che combina due potenti tecniche: l’effetto tunnel degli elettroni e il trasporto elettrico. La prima indaga il comportamento quantistico degli elettroni, mentre la seconda misura la facilità con cui la corrente attraversa il materiale. Utilizzando questi metodi congiunti, i ricercatori possono monitorare la resistenza elettrica in tempo reale, dove una resistenza pari a zero conferma l’ingresso del materiale nello stato superconduttore.
Utilizzando questa piattaforma combinata, i ricercatori hanno esaminato il gap superconduttivo nel grafene a tre strati ritorto ad angolo magico (MATTG). Essendo riusciti a registrare simultaneamente i dati di tunneling e di trasporto all’interno dello stesso dispositivo, sono stati in grado di identificare chiaramente il gap di tunneling superconduttore, che si è manifestato solo in presenza di resistenza nulla.
I successivi studi su come il gap cambiava in funzione di diverse temperature e campi magnetici hanno rivelato un andamento netto a forma di V. Questo risultato è in netto contrasto con il gap piatto e uniforme che è tipico dei superconduttori convenzionali. Questo insolito segnale a V suggerisce con forza che gli elettroni nel MATTG si accoppiano attraverso un processo diverso e non convenzionale.
Nei superconduttori convenzionali, le coppie di elettroni si formano grazie alle vibrazioni del reticolo atomico circostante. Park e il suo team ipotizzano che nel MATTG stia accadendo qualcosa di completamente diverso. Esistono teorie secondo cui l’accoppiamento in questo sistema di grafene derivi probabilmente da forti interazioni elettroniche anziché da vibrazioni reticolari. In sostanza, gli elettroni si aiutano a vicenda ad accoppiarsi, formando uno stato superconduttore con una simmetria speciale.
La scoperta fornisce una prova convincente che il MATTG si comporta come un superconduttore non convenzionale. I ricercatori intendono ora utilizzare il loro approccio sperimentale per esplorare altri materiali bidimensionali impilati o attorcigliati in modo simile.
Questo metodo permette di identificare e studiare le strutture elettroniche sottostanti la superconduttività e altre fasi quantistiche mentre si manifestano, all’interno dello stesso campione. Secondo Park, questa visione diretta può rivelare in che modo gli elettroni si accoppiano e competono con altri stati, aprendo la strada alla progettazione e al controllo di nuovi superconduttori e materiali quantistici che in futuro potrebbero alimentare tecnologie più efficienti o i computer quantistici.
Lo studio è stato pubblicato su Science.
