Una pletora di stati in grafene ad angolo magico
L’anno scorso, il grafene ha fatto un altro grande salto quando gli scienziati hanno scoperto che ruotando semplicemente due strati di questo materiale uno sopra l’altro, poteva comportarsi come un superconduttore in cui le correnti elettriche possono fluire senza resistenza. Questa nuova fase della materia appariva solo quando i due strati di grafene erano attorcigliati tra loro con un angolo di 1,1º (niente di più e niente di meno) il cosiddetto angolo magico, ed era sempre accompagnato da enigmatiche fasi isolanti correlate, simile a quello che si osserva nei misteriosi superconduttori ad alta temperatura.
Ora, i ricercatori dell’ICFO di Barcellona sono riusciti a migliorare notevolmente la qualità del dispositivo di questa configurazione e, nel farlo, si sono imbattuti in qualcosa di ancora più grande e totalmente inaspettato. Sono stati in grado di osservare uno zoo di stati superconduttori e correlati precedentemente non osservati, oltre a un insieme completamente nuovo di stati magnetici e topologici, aprendo un regno completamente nuovo di fisica più ricca.
La superconduttività a temperatura ambiente è la chiave di molti obiettivi tecnologici come la trasmissione efficiente della potenza, i treni senza attrito o persino i computer quantistici, tra gli altri. Quando scoperto più di 100 anni fa, la superconduttività era plausibile solo in materiali raffreddati a temperature vicine allo zero assoluto. Quindi, alla fine degli anni ’80, gli scienziati hanno scoperto superconduttori ad alta temperatura usando materiali ceramici chiamati cuprati. Nonostante la difficoltà di costruire superconduttori e la necessità di applicare condizioni estreme (campi magnetici molto forti) per studiare il materiale, il campo è decollato come qualcosa di sacro graal tra gli scienziati basato su questo progresso. Dallo scorso anno, l’entusiasmo per questo campo è aumentato. I doppi mono-strati di carbonio hanno affascinato i ricercatori perché, contrariamente ai cuprati,
Il nuovo studio ha recentemente pubblicato su Nature è stato condotto dai ricercatori dell’ICFO Xiaobo Lu, Petr Stepanov, Mohammed Ali Aamir, Ipsita Das, guidato dal Prof. ICM Dmitri Efetov, con il supporto del laboratorio di ricerca del Prof. ICFO Adrian Bachtold e in collaborazione con un gruppo interdisciplinare di UT Austin, il Accademia cinese delle scienze e Istituto nazionale di scienza dei materiali del Giappone. Nel loro esperimento, usando una tecnica di assemblaggio di van der Waals “strappa e impila”, gli scienziati dell’ICFO sono stati in grado di progettare due monostrati sovrapposti di grafene, ruotati di soli 1,1º l’angolo magico. Hanno quindi usato un processo di pulizia meccanica per eliminare le impurità e liberare la tensione locale tra gli strati. In questo modo, sono stati in grado di ottenere strati doppi di grafene attorcigliati estremamente puliti con disturbo ridotto, risolvendo una moltitudine di fragili effetti di interazione.
Modificando la densità del portatore di carica elettrica all’interno del dispositivo con un condensatore vicino, hanno poi visto che il materiale poteva essere sintonizzato dal comportamento di isolante, al comportamento da superconduttore o persino da un magnete orbitale esotico con struttura topologica non banale, un fase mai osservata prima. Ciò che è ancora più sorprendente è il fatto che il dispositivo è entrato in uno stato superconduttore con le densità portanti più basse mai registrate per qualsiasi superconduttore, una svolta completamente nuova nel campo.
Xiaobo Lu, primo autore dello studio, entusiasta dei risultati, afferma “Con nostra sorpresa, abbiamo osservato che il sistema sembrava competere tra molti stati nuovi. Sintonizzando la densità del portatore all’interno delle due bande moiré piatte più basse, il sistema ha mostrato stati correlati e superconduttività alternativamente, insieme a magnetismo esotico e topologia di banda. Abbiamo anche notato che questi stati erano molto sensibili alla qualità del dispositivo, ovvero accuratezza e omogeneità dell’angolo di torsione tra due fogli di strati di grafene “.
Ultimo ma non meno importante, in questo esperimento, i ricercatori sono stati anche in grado di aumentare la temperatura di transizione superconduttiva a oltre 3 kelvin, raggiungendo valori record che sono due volte più alti rispetto agli studi precedentemente riportati per dispositivi ad angolo magico-grafene.
Come commenta il prof. Dmitri Efetov dell’ICFO, “non ci saremmo mai aspettati di vedere così tanti stati diversi semplicemente sintonizzando il gate elettronico. Questo è stato del tutto inaspettato. Per la prima volta siamo in grado di scavare nel mondo microscopico e manipolare i sistemi per vedere cosa succede per iniziare a capire e trovare modelli che possano spiegarlo “.
Ciò che è eccezionale di questo approccio è che il grafene, un materiale tipicamente povero nei fenomeni di elettroni fortemente interagenti, ora è stato lo strumento abilitante che fornisce accesso a questa fisica complessa ed eccezionalmente ricca. Finora non esiste una teoria che possa spiegare la superconduttività nel grafene ad angolo magico a livello microscopico, tuttavia con questa nuova scoperta, è chiaro che è emersa una nuova possibilità per svelare la sua origine.
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Riferimento: DOI: 10.1038 / s41586-019-1695-0, https://www.nature.com/articles/s41586-019-1695-0
