Gli effetti quantistici potrebbero contribuire a rendere il grafene a doppio strato ritorto un superconduttore

La geometria quantistica svolge un ruolo chiave nel consentire a un materiale noto come grafene a doppio strato intrecciato (tBLG) di diventare un superconduttore, secondo nuovi esperimenti dei fisici di The Ohio State University, L'Università del Texas a Dallas, e il Istituto nazionale per la scienza dei materiali in Giappone. La scoperta implica che le equazioni di Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) ampiamente utilizzate per i superconduttori devono essere modificate per materiali come tBLG che hanno cariche molto lente. Potrebbe anche aiutare a fornire nuovi principi guida nella ricerca di nuovi superconduttori che operano a temperature più elevate, affermano i ricercatori.

Il grafene è un cristallo bidimensionale di atomi di carbonio disposti a nido d'ape. Questo cosiddetto "materiale meraviglioso" vanta molte proprietà eccezionali, tra cui un'elevata conduttività elettrica poiché i portatori di carica (elettroni e lacune) sfrecciano attraverso il reticolo di carbonio a velocità molto elevate.

Nel 2018 i ricercatori guidati da Pablo Jarillo-Herrero del MIT ha scoperto che quando due di questi fogli sono posti uno sopra l'altro con un piccolo disallineamento angolare, formano una struttura nota come superlattice moiré. E quando l'angolo di torsione tra loro raggiunge l'"angolo magico" (teoricamente previsto) di 1.08°, questa configurazione a doppio strato "contorta" inizia a mostrare proprietà come la superconduttività al di sotto di una certa temperatura critica, T_c, – cioè conduce elettricità senza alcuna resistenza.

A questo angolo cambia il modo in cui gli elettroni si muovono nei due fogli accoppiati perché sono ora costretti ad organizzarsi alla stessa energia. Questo porta a bande elettroniche "piatte", in cui gli stati elettronici hanno esattamente la stessa energia nonostante abbiano momenti diversi. Questa struttura a banda piatta rende gli elettroni privi di dispersione, ovvero la loro energia cinetica viene completamente soppressa e non possono muoversi nel reticolo moiré. Il risultato è che le particelle rallentano quasi fino a fermarsi e si localizzano in posizioni specifiche lungo i fogli accoppiati.

Un paradosso di conduzione

Nel nuovo lavoro, i ricercatori, guidati da Marc Bockrat ed Jeanie Lau, ha mostrato che gli elettroni in tBLG si muovono con una velocità pari a circa 700-1200 m/s. Questo potrebbe sembrare veloce in termini convenzionali, ma in realtà è un fattore 1000 più lento della velocità degli elettroni nel grafene monostrato.

«Questa velocità costituisce una velocità intrinseca per gli elettroni in tBLG e quindi anche un limite alla quantità di corrente che il materiale può trasportare, sia esso superconduttore o metallico», spiega Lau. "Questa bassa velocità dà origine a un paradosso: come fa il tBLG a condurre l'elettricità, per non parlare del superconduttore, se gli elettroni si muovono così lentamente?"

"La risposta è la geometria quantistica", dice.

La geometria ordinaria si riferisce al modo in cui i punti o gli oggetti sono correlati spazialmente, ad esempio quanto sono distanti tra loro e come sono collegati. La geometria quantistica è simile, ma descrive la natura quantistica degli elettroni, che non sono solo particelle ma anche onde, e quindi hanno funzioni d'onda, e come queste funzioni d'onda si connettono e si interconnettono. "Questo contributo si rivela fondamentale per consentire la superconduttività", dice Bockrath Mondo della fisica. "Invece degli elettroni in rapido movimento, le ricche connessioni delle funzioni d'onda degli elettroni sono importanti."

La maggior parte dei superconduttori fino ad oggi sono descritti dalla teoria BCS (dal nome dei suoi scopritori, Bardeen, Cooper e Schrieffer). Questa teoria spiega perché la maggior parte degli elementi metallici è superconduttiva al di sotto della loro T_c: i loro elettroni fermionici si accoppiano per creare bosoni chiamati coppie di Cooper. Questi bosoni formano un condensato coerente in fase che può fluire attraverso il materiale come una supercorrente che non subisce scattering, e la superconduttività ne è una conseguenza.

Brevi impulsi elettrici attivano e disattivano la superconduttività nel grafene ad angolo magico

La teoria, tuttavia, non è all'altezza quando si tratta di spiegare i meccanismi alla base dei superconduttori ad alta temperatura. In effetti, il meccanismo alla base della superconduttività ad alta temperatura è considerato uno dei fondamentali problemi irrisolti della fisica.

«I nostri risultati mostrano che anche le equazioni BCS devono essere modificate per superconduttori come tBLG con cariche molto lente», afferma Lau. «Il nostro lavoro può anche fornire nuovi principi guida nella ricerca di nuovi superconduttori in grado di operare a temperature più elevate di quelle conosciute», aggiunge Bockrath.

Il team continuerà ora a studiare tBLG per quantificare e comprendere il ruolo della geometria quantistica in collaborazione con i teorici.

La ricerca è dettagliata in Natura.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/quantum-effects-could-help-make-twisted-bilayer-graphene-a-superconductor/