Identificato grafene con una forma molto rara di superconduttività


    Un nuovo tipo di grafene a triplo strato potrebbe rappresentare, secondo una nuova ricerca, un raro tipo di superconduttore utilizzabile in svariati ambiti. Le applicazioni potrebbero andare dalle apparecchiature mediche fino ai computer quantistici.  

    Rappresentazione artistica delle superconduttività. (Credits: Cao et al., Nature, 2021)Immagine - Rappresentazione artistica delle superconduttività. (Credits: Cao et al., Nature, 2021)

    Gli scienziati hanno scoperto che impilare strati monoatomici di grafene uno sopra l'altro ad angoli leggermente diversi può portare alla realizzazione di nuovi materiali con proprietà entusiasmanti, tale processo ha portato alla recente scoperta del grafene a tre strati attorcigliato con angolo "magico".

    Ora, un nuovo studio dello stesso team di ricercatori mostra che questo materiale potrebbe essere un superconduttore a tripletta di spin, che non è influenzato da elevati campi magnetici. Questa caratteristica rende il materiale potenzialmente ancora più utile.

    «Il valore di questo esperimento è dato da ciò che ci insegna sulla superconduttività fondamentale, su come i materiali possono comportarsi, in modo che possiamo provare a progettare altri materiali che sarebbero più facili da produrre e che potrebbero forse darci una migliore superconduttività», scrive il fisico Pablo Jarillo-Herrero, del Massachusetts Institute of Technology (MIT).

    I materiali superconduttori sono molto ricercati. Possono infatti condurre elettricità senza disperdere calore, ciò potrebbe rivoluzionare le nostre reti elettriche, i nostri dispositivi elettronici portatili e molto altro ancora. Tutto questo a patto di riuscire a farli funzionare a temperature normali.

    Di solito, gli elettroni di conduzione nei superconduttori si accoppiano a due a due in ciò che viene definito come coppie di Cooper - ognuna con spin opposto (una verso l'alto e una verso il basso), gli elettroni riescono così a muoversi nel materiale senza risentire delle vibrazioni atomiche.

    Questa è la configurazione convenzionale dello spin monodimensionale, comunque. Rari tipi di superconduttori sono a tripletta di spin, ciononostante gli elettroni hanno lo stesso spin. Fondamentalmente questo significa che un elevato campo magnetico non va a perturbare il flusso di elettroni poiché l'energia di entrambi gli elettroni si sposta nella stessa direzione.

    Attraverso una serie di esperimenti, il team è stato in grado di dimostrare che il grafene a tre strati attorcigliato ad angolo "magico" continua a comportarsi come un superconduttore anche se viene immerso in campi magnetici superiori a 10 Tesla - stiamo parlando di valori tre volte superiori di quanto ci si aspetterebbe da un materiale con spin monodimensionale.

    Inoltre, la superconduttività scompare e riappare quando la forza del campo magnetico si intensifica.

    «Nei superconduttori con spin monodimensionale, se interrompiamo la superconduttività non c'è verso di farla tornare, viene persa per sempre», sostiene il fisico Yuan Cao del MIT. «Nei nostri esperimenti la superconduttività è tornata nuovamente. Quindi questo indica che il materiale che stiamo studiando non ha uno spin monodimensionale».

    La questione è ancora aperta, saranno necessarie ulteriori ricerche per controllare gli stati di spin degli elettroni in questo particolare tipo di grafene. Quello che possiamo dire è che i primi risultati sono molto promettenti e molto eccitanti secondo gli scienziati.

    Un'area in cui i superconduttori a tripletta di spin potrebbero essere utili è nelle scansioni a risonanza magnetica. Infatti, se queste macchine potessero funzionare sotto l'influsso di campi magnetici più elevati sarebbero in grado di produrre immagini molto più dettagliate. Attualmente sono ancora necessarie temperature molto al di sotto della cosiddetta temperatura ambiente (raggiungibili soltanto in laboratorio) affinché il materiale possa agire come superconduttore.

    Il materiale e le sue rare proprietà mostrano anche delle grosse potenzialità per quanto riguarda la futura ricerca sul calcolo quantistico. Una questione chiave per realizzare computer quantistici pratici e accessibili è migliorare la loro stabilità - qualcosa che si potrebbe ottenere attraverso i superconduttori a tripletta di spin.

    «Non abbiamo idea se il nostro tipo di grafene sia di questo tipo», scrive il dott. Jarillo-Herrero. «Ma anche in caso contrario, questo potrebbe rendere più facile combinare il grafene a tre strati con altri materiali per progettare quel particolare tipo di superconduttività. Potrebbe essere una svolta importante. Ma è ancora troppo presto per parlare di scoperta».

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    Riferimenti

    La ricerca "Pauli-limit violation and re-entrant superconductivity in moiré graphene" è stata pubblicata sulla rivista Nature