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Una nuova svolta, o la sua mancanza, nella storia della superconduttività del grafene: https://www.quantamagazine.org/graphene-superconductors-may-be-less-exotic-than-physicists-hoped-20210614/

I superconduttori di grafene potrebbero essere meno esotici di quanto sperassero i fisici

FISICA DELLA MATERIA CONDENSATA

I superconduttori di grafene potrebbero essere meno esotici di quanto sperassero i fisici

Di CHARLIE WOOD

14 giugno 2021

La superconduttività è stata scoperta nei dispositivi al grafene senza alcuna torsione, suggerendo che la forma di superconduttività nel materiale potrebbe essere banale dopo tutto.

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Il grafene a tre strati ABC, con strati spostati anziché attorcigliati, ha mostrato sfarfallii di superconduttività quando raffreddato vicino allo zero assoluto.

Samuel Velasco/Quanta Magazine

Tre anni fa, i fisici hanno scoperto che due fogli di carbonio impilati con una minuscola torsione di 1,1 gradi tra di loro potrebbero esibire una serie abbagliante di comportamenti. La cosa più famosa è che quando viene raffreddato a basse temperature, il materiale conduce elettricità con resistenza zero.

I ricercatori si sono affrettati a capire perché il grafene a doppio strato attorcigliato (come viene chiamato) diventa un superconduttore, con una forma di superconduttività che sembra insolitamente robusta. Molti teorici speravano che la scoperta avrebbe riscritto la loro comprensione della superconduttività e forse avrebbe persino permesso ai ricercatori di progettare materiali in grado di sostenere il fenomeno a temperature più elevate.

Ma l’intenso focus su quella svolta tra i fogli di grafene potrebbe essere stato un caso di depistaggio. Un team di fisici ha annunciato oggi in una conferenza online di aver osservato la superconduttività in una pila di grafene a tre piani senza alcuna torsione. La scoperta, guidata da Andrea Young e Haoxin Zhou dell’Università della California, Santa Barbara, potrebbe ripristinare le discussioni sulla superconduttività nel grafene. Ha portato alcuni teorici a sospettare che la superconduttività del grafene sia dopotutto la varietà vaniglia.

“Questa è una scoperta molto importante che mostra che la superconduttività [nel grafene] è, in un certo senso, regolare”, ha detto Sankar Das Sarma, un fisico teorico della materia condensata presso l’Università del Maryland che non è stato coinvolto nella ricerca.

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Ma l’evidenza della superconduttività convenzionale non è conclusiva. E i ricercatori notano che la superconduttività del grafene contorto potrebbe ancora essere esotica anche se il grafene non attorcigliato non lo è.

Albert Einstein, Richard Feynman e Werner Heisenberg sono solo alcuni dei titani della fisica del 20° secolo che hanno provato e non sono riusciti a capire perché molti metalli trasportano corrente senza resistenza a basse temperature. Nel 1957, quasi mezzo secolo dopo la scoperta di questo tipo standard di superconduttività, John Bardeen, Leon Cooper e John Robert Schrieffer spiegarono finalmente il fenomeno, un risultato che valse loro il Premio Nobel per la fisica.

Hanno determinato che le onde sonore nei metalli – increspature in cui gli atomi si raggruppano, chiamati fononi – creano concentrazioni di carica positiva che attraggono gli elettroni, che sono caricati negativamente. I fononi uniscono gli elettroni in “coppie Cooper”. Accoppiati in questo modo, gli elettroni giocano secondo diverse regole della meccanica quantistica, fondendosi in un fluido quantistico il cui flusso non è più gommato dagli atomi nel reticolo. Questa teoria mediata da fononi, nota (dalle iniziali dei suoi autori) come BCS, corrisponde a quasi tutti gli esperimenti di superconduttività.

Modi alternativi di incollare gli elettroni insieme funzionano sulla carta e gli sperimentatori hanno visto segni di colle “non convenzionali” straordinariamente forti in alcuni superconduttori, ma tali affermazioni rimangono irrisolte.

“È come se qualcuno ti dicesse che in qualche villaggio molto lontano su qualche isola ci sono persone con tre teste”, ha detto Das Sarma. “Dovresti essere molto, molto scettico.”

Nel 2018, alcuni ricercatori pensavano di essersi imbattuti in un’isola così mitica di superconduttività esotica, dal momento che il grafene a doppio strato attorcigliato sembrava in qualche modo legare gli elettroni in modo molto più stretto rispetto alla maggior parte dei superconduttori. L’eccitazione è aumentata all’inizio di quest’anno con la scoperta della superconduttività in un sistema simile: tre strati di grafene attorcigliati secondo il proprio angolo speciale. Entrambi i sistemi condividevano una rara simmetria rotazionale di 180 gradi, che i teorici sostenevano potesse supportare una forma particolarmente esotica di superconduttività basata su vortici di elettroni noti come skyrmioni.

Ma la nuova incarnazione del grafene superconduttore appare sorprendentemente semplice.

Il grafene a tre strati ABC, come Young e i suoi colleghi chiamano il loro stack di grafene, è uno dei materiali più puliti e semplici che potrebbero realizzare. Il secondo e il terzo strato sono spostati anziché attorcigliati, ciascuno spinto da un mezzo favo aggiuntivo, in modo che gli atomi di carbonio sottostanti cadano al centro dei reticoli sopra.

I materiali sono complicati e hanno un modo di mentirci.

Steve Kivelson

L’impilamento dei fogli di grafene è difficile, con o senza torsioni. I dispositivi ritorti sono pieni di rughe che interrompono l’angolo magico in diverse zone, rendendo ogni apparecchio unico. Anche quando Young e colleghi hanno prodotto i loro dispositivi ABC a tre strati, la maggior parte dei tentativi è tornata a un modello di impilamento alternativo. Ma, a differenza dei campioni contorti pignoli, quelli che sono rimasti lì erano identici fino all’ultimo atomo. Gli atomi “si bloccano al loro posto come i Lego”, ha detto Young.

Una volta che il team ha avuto il primo dispositivo ABC, ha utilizzato un campo elettrico regolabile per mischiare gli elettroni tra gli strati incontaminati. Mentre sintonizzavano la distribuzione degli elettroni a temperature criogeniche, hanno visto che il sistema si comportava in modo molto simile al grafene attorcigliato, saltando tra vari tipi di comportamento magnetico, come indicato dai cambiamenti nel modo in cui il dispositivo rallentava la corrente elettrica. Hanno pubblicato i loro risultati in una prestampa di aprile.

Quando hanno esaminato le transizioni in modo più dettagliato, hanno identificato brevi sfarfallii di resistenza elettrica zero – superconduttività – quando il materiale era di circa un decimo di grado sopra lo zero assoluto.

Sebbene Young e i suoi colleghi non abbiano modo di sbirciare direttamente le coppie di elettroni di Cooper, hanno scoperto un comportamento che Bardeen, Cooper e Schrieffer avrebbero riconosciuto: lo spostamento di elettroni tra i tre strati aumentava il numero di possibili configurazioni tra cui gli elettroni potevano scegliere, una quantità nota come “densità di stati” del sistema. Ad alta densità di stati, gli elettroni possono fraternizzare più facilmente tra loro. La teoria BCS prevede che questa libertà elettronica aiuti la formazione di coppie di Cooper, ed è quello che hanno scoperto i ricercatori: quando la densità degli stati è aumentata, il materiale ha mostrato due punti di superconduttività.

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