I fisici del MIT hanno scoperto che il grafene a tre strati con «angolo magico» potrebbe essere un superconduttore raro e resistente ai magneti.

I fisici del Massachusetts Institute of Technology hanno notato segni di un raro tipo di superconduttività in un materiale chiamato «angolo magico» del grafene a tre strati attorcigliato. Credito: per gentile concessione di Pablo Jarillo-Herrero, Yuan Cao, Jeong Min Park, et al

Le nuove scoperte potrebbero aiutare a progettare macchine per la risonanza magnetica più potenti o potenti computer quantistici.

I fisici del Massachusetts Institute of Technology hanno notato segni di un raro tipo di superconduttività in un materiale chiamato grafene a tre strati ritorto ad angolo magico. In uno studio apparso in naturaI ricercatori riferiscono che il materiale mostra superconduttività in campi magnetici sorprendentemente alti fino a 10 Tesla, che è tre volte superiore a quella che il materiale dovrebbe resistere se fosse un superconduttore convenzionale.

I risultati suggeriscono fortemente che il magico grafene a tre strati, che è stato inizialmente scoperto dallo stesso gruppo, è un tipo molto raro di superconduttore, noto come «tripletto di spin», impermeabile ai campi magnetici elevati. Tali superconduttori esotici potrebbero migliorare notevolmente tecniche come la risonanza magnetica, che utilizza fili superconduttori sotto un campo magnetico per risuonare con i tessuti biologici e visualizzarli. Le macchine per la risonanza magnetica sono attualmente limitate a campi magnetici da 1 a 3 Tesla. Se potessero essere costruiti utilizzando superconduttori a triplo spin, la risonanza magnetica potrebbe operare sotto campi magnetici più elevati per produrre immagini più chiare e profonde del corpo umano.

Nuove prove per la superconduttività a triplo spin nel grafene a triplo strato potrebbero anche aiutare gli scienziati a progettare superconduttori più forti per l’informatica quantistica pratica.

«Il valore di questo esperimento è ciò che ci insegna sulla superconduttività di base e su come i materiali possono comportarsi, in modo che con queste lezioni possiamo provare a progettare principi per altri materiali che sono più facili da fabbricare e forse questo ti darà una migliore superconduttività, ” afferma Pablo Jarillo-Herrero, Cecil e Ida Green Professore di Fisica presso il Massachusetts Institute of Technology.

I coautori del documento includono Yuan Kao e lo studente laureato Jeong Min Park presso il Massachusetts Institute of Technology, Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi del National Institute of Materials Science in Giappone.

strana trasformazione

I materiali superconduttori sono definiti dalla loro capacità altamente efficiente di condurre elettricità senza perdita di energia. Quando esposti a una corrente elettrica, gli elettroni in un superconduttore si accoppiano in «coppie di rame» che poi viaggiano attraverso il materiale senza resistenza, come i passeggeri di un treno veloce.

Nella stragrande maggioranza dei superconduttori, queste coppie di passeggeri hanno uno spin opposto, con un elettrone che ruota verso l’alto e l’altro verso il basso, una configurazione nota come «spin singolare». Queste coppie sono accelerate da un superconduttore, fatta eccezione per i campi magnetici elevati, che possono spostare l’energia di ciascun elettrone in direzioni opposte, separando la coppia l’una dall’altra. In questo modo e attraverso meccanismi, campi magnetici elevati possono interrompere la superconduttività nei superconduttori di spin convenzionali.

«Questa è la ragione ultima per cui la superconduttività scompare in un campo magnetico abbastanza grande», afferma Park.

Ma ci sono alcuni strani superconduttori che non sono influenzati dai campi magnetici, anche di intensità molto grandi. Questi materiali sono superconduttori attraverso coppie di elettroni aventi lo stesso spin, una proprietà nota come «triplo spin». Quando esposti a campi magnetici elevati, l’energia di entrambi gli elettroni nella coppia di Cooper si sposta nella stessa direzione, in modo tale che non siano separati l’uno dall’altro ma continuino a supercondurre senza disturbi, indipendentemente dall’intensità del campo magnetico.

Il gruppo di Jarillo-Herrero era curioso di sapere se il grafene ad angolo magico a triplo strato potesse contenere indizi su un’insolita superconduttività a triplo spin. Il team ha prodotto un lavoro innovativo studiando le strutture moiré di grafene, strati di reticoli di carbonio sottili come un atomo che, se impilati ad angoli specifici, possono portare a comportamenti elettronici sorprendenti.

I ricercatori hanno inizialmente riportato proprietà così peculiari in due fogli angolati di grafene, che hanno chiamato grafene magico a doppio strato. Hanno presto seguito i test del grafene a tre strati, una formazione a sandwich di tre fogli di grafene che si è rivelata più forte della sua controparte a due strati, pur mantenendo la sua superconduttività a temperature più elevate. Quando i ricercatori hanno applicato un campo magnetico modesto, hanno notato che il grafene a tre strati era in grado di supercondurre a intensità di campo che avrebbero distrutto la superconduttività nel grafene a doppio strato.

«Pensavamo che fosse una cosa molto strana», dice Jarilo Herrero.

ritorno miracoloso

Nel loro nuovo studio, i fisici hanno testato la superconduttività del grafene a tre strati sotto campi magnetici sempre più elevati. Hanno prodotto il materiale esfoliando sottili strati di carbonio da un blocco di grafite, impilando tre strati insieme e ruotando lo strato intermedio di 1,56 gradi rispetto agli strati esterni. Hanno attaccato un elettrodo a entrambe le estremità del materiale per far passare una corrente attraverso di esso e misurare l’energia persa nel processo. Quindi hanno acceso un grande magnete in laboratorio, con un campo che hanno diretto parallelamente al materiale.

Quando hanno aumentato il campo magnetico attorno al grafene a tre strati, hanno notato che la superconduttività ha resistito abbastanza forte prima di scomparire, ma poi è riemersa in modo intrigante a intensità di campo più elevate, una rinascita molto insolita che non si verifica nei superconduttori convenzionali.

«Nei superconduttori a spin singolo, se uccidi la superconduttività, non torna mai più – è andata per sempre», dice Kao. «Ecco, è riapparso di nuovo. Quindi questo indica sicuramente che questo materiale non è un singolo pezzo».

Hanno anche notato che dopo il «rientro», la superconduttività persisteva fino a 10 Tesla, la massima intensità di campo che un magnete da laboratorio poteva produrre. Questo è circa tre volte superiore a quello che un superconduttore dovrebbe sopportare se fosse uno spin singolo convenzionale, secondo il limite di Pauli, una teoria che prevede il campo magnetico massimo in cui un materiale può mantenere la superconduttività.

La comparsa della superconduttività del grafene a triplo strato, combinata con la sua stabilità in campi magnetici superiori al previsto, esclude la possibilità che il materiale sia un normale superconduttore. Invece, è probabile che sia una specie molto rara, probabilmente tripletta, che ospita coppie di Cooper che sfrecciano attraverso il materiale, impermeabile a campi magnetici elevati. Il team prevede di perforare il materiale per confermare il suo preciso stato di rotazione, che potrebbe aiutare a progettare risonanze magnetiche più potenti, nonché computer quantistici più potenti.

«Il calcolo quantistico regolare è molto fragile», afferma Jarillo Herrero. «Lo guardi e scompare homo. Circa 20 anni fa, i teorici hanno proposto un tipo di superconduttività topologica che, se ottenuta in qualsiasi materiale, potrebbe [enable] Un computer quantistico in cui gli stati responsabili del calcolo sono molto potenti. Questo darebbe più potenza infinita per fare il calcolo. L’elemento chiave di cui essere consapevoli sono i superconduttori a triplo spin, di un certo tipo. Non abbiamo idea se la nostra specie sia di quel tipo. Ma anche se così non fosse, ciò potrebbe facilitare il posizionamento del grafene a tre strati con altri materiali per progettare questo tipo di superconduttività. Potrebbe essere un ottimo trucco. Ma è ancora presto».

Riferimento: «Violation of the Pauli limit and re-entry of superconductivity into ripple grafene» di Yuan Kao, Jeong Min Park, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi e Pablo Jarillo-Herrero, 21 luglio 2021, natura.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03685-y

Questa ricerca è stata supportata dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, dalla National Science Foundation, dalla Gordon and Betty Moore Foundation, dalla Ramon Arises Foundation e dal Sevare Quantum Materials Program.