La Promessa del Grafene Trilayer a Angolo Magico
Immaginate un materiale che, spesso quanto un singolo atomo, possa rivelare i segreti della superconduttività e aprire la strada a dispositivi quantistici di straordinaria potenza. Questa è la straordinaria promessa di un fenomeno affascinante scoperto in strati di grafene disposti in configurazioni particolari. Quando questi strati di grafene vengono impilati con un angolo di torsione specifico, il materiale, composto interamente da carbonio e incredibilmente sottile, inizia a condurre elettricità senza alcuna resistenza. Questa proprietà, da tempo oggetto di studio da parte della comunità scientifica, rappresenta un enigma che gli scienziati hanno cercato di comprendere e controllare. Tuttavia, il vero mistero risiede nei meccanismi che rendono possibile tale comportamento. La struttura torsionata, nota come grafene trilayer a angolo magico (MATG), non si comporta come i superconduttori tradizionali, infrangendo le regole comunemente accettate. Questo tipo di superconduttività è definito non convenzionale e il suo funzionamento interno ha lasciato perplessi i ricercatori per anni. Un studio di un team di scienziati ha intrapreso un’indagine approfondita su questo mistero, costruendo circuiti superconduttori miniaturizzati utilizzando il MATG. I risultati del loro studio, recentemente pubblicati, offrono nuove intuizioni sul comportamento degli elettroni all’interno del MATG e potrebbero avere implicazioni significative per il futuro della tecnologia quantistica.
Scoperta dell’Angolo Magico e il MATG
Nel 2018, un gruppo di ricercatori ha sorpreso la comunità scientifica dimostrando che due strati di grafene, quando ruotati con un angolo preciso di circa 1,1 gradi, possono trasformarsi in un superconduttore. Questo allineamento speciale, noto come angolo magico, ha innescato la superconduttività in un sistema che, altrimenti, sarebbe semplicemente un foglio piatto di atomi di carbonio. Ispirati da questa scoperta, gli autori dello studio attuale hanno deciso di esplorare cosa accade quando non due, ma tre strati di grafene vengono impilati e ruotati, dando vita al MATG. Per comprendere i meccanismi della superconduttività in questo sistema, i ricercatori hanno realizzato circuiti superconduttori miniaturizzati, noti come giunzioni di Josephson. Questi dispositivi sono costituiti da due superconduttori collegati da un materiale molto sottile e non superconduttore. Nel loro esperimento, gli scienziati hanno utilizzato un superconduttore standard come estremità della giunzione, posizionando il pacco di MATG al centro. Se il MATG si fosse comportato come un normale metallo, il setup sarebbe stato classificato come giunzione S-N-S (dove S rappresenta il superconduttore e N il metallo normale). Tuttavia, se il MATG avesse mostrato comportamenti superconduttivi, avrebbe dato origine a una giunzione S-S-S (dove S indica il nuovo superconduttore in fase di test).
Verifica della Superconduttività nel MATG
Per verificare se il MATG fosse effettivamente superconduttore, il team di ricerca non si è limitato a misurare la caduta di resistenza, poiché molti materiali possono mostrare bassa resistenza senza essere veri superconduttori. Hanno quindi testato se il materiale fosse in grado di espellere campi magnetici e rispondere a variazioni di corrente come un induttore, piuttosto che come un resistore. Questo ha portato alla formazione di coppie di Cooper, un segno distintivo della superconduttività, che si è manifestato nel MATG. Ciò che ha colpito maggiormente i ricercatori è stata la misurazione di un parametro noto come induttanza cinetica, che riflette la velocità con cui le coppie di Cooper rispondono a correnti variabili, influenzate dalla loro inerzia. Il team ha scoperto che il MATG presentava valori di induttanza cinetica quasi cinquanta volte superiori rispetto alla maggior parte dei superconduttori noti. Questo aspetto è di particolare rilevanza, poiché un’alta induttanza cinetica è desiderabile in dispositivi come rivelatori di fotoni ultra-sensibili e qubit superconduttori, fondamentali per i computer quantistici. Inoltre, è emersa una chiara relazione inversa tra l’induttanza cinetica e la corrente critica, ovvero la massima corrente che un materiale può trasportare mantenendo le sue proprietà superconduttive. Questa relazione offre anche informazioni sulla lunghezza di coerenza del superconduttore, che può essere interpretata come la “dimensione” delle coppie di elettroni responsabili dello stato superconduttore. “Abbiamo misurato una lunghezza di coerenza maggiore rispetto a quanto riportato in studi precedenti, utilizzando metodi sperimentali diversi”, ha dichiarato Christian Schönenberger, uno degli autori dello studio.
Implicazioni Future della Ricerca sul MATG
Questo lavoro di ricerca fornisce un nuovo insieme di strumenti per esplorare il funzionamento dei superconduttori non convenzionali. Dimostra, ad esempio, che misurando con precisione la mobilità delle coppie di elettroni e la loro estensione attraverso il materiale, è possibile decifrare i meccanismi interni che governano la superconduttività nel grafene torsionato. Tuttavia, ci sono anche delle limitazioni: il grafene trilayer torsionato utilizzato nello studio non esiste in natura e deve essere assemblato con grande attenzione in laboratorio. Inoltre, essendo un materiale delicato e soggetto a disordine, la sua scalabilità per applicazioni nel mondo reale risulta complessa. Nonostante ciò, lo studio apre nuove strade per l’esplorazione di altri materiali più pratici che possano comportarsi in modi simili. “Siamo convinti che il nostro studio rappresenti un passo avanti nella comprensione della superconduttività in questi materiali e possa contribuire alla ricerca di superconduttori innovativi”, ha affermato Schönenberger. Il team prevede ora di testare il comportamento del MATG in condizioni ad alta frequenza, con l’obiettivo di utilizzarlo in circuiti quantistici in futuro. I risultati di questa ricerca sono stati pubblicati sulla rivista *Physical Review Letters*.
