Un esperimento spegne la superconduttività del grafene magico

All'interno di un dispositivo realizzato dagli scienziati dell'Istituto nazionale del grafene dell'Università di Manchester e dai loro collaboratori, un sistema di grafene è stato usato per schermarne un altro. Quando il team ha aumentato la densità dei portatori nello strato vicino, la superconduttività nel grafene ad angolo magico si è indebolita ed è poi scomparsa completamente.

Il grafene ad angolo magico prende il nome dal modo in cui due fogli di grafene vengono sovrapposti con un disallineamento rotazionale di circa 1,1 gradi. A quell'angolo, il materiale può sviluppare stati elettronici insoliti, tra cui la superconduttività, quando gli elettroni si appaiano. La questione centrale era capire che cosa provochi la formazione di queste coppie: le vibrazioni del reticolo atomico, chiamate fononi, oppure le interazioni tra gli elettroni stessi.

Il nuovo dispositivo è stato realizzato per indebolire tali interazioni tra gli elettroni senza fondere i due sistemi. I suoi bilayer di grafene ritorto erano separati da meno di un nanometro, mentre i ricercatori sono riusciti a controllare le interazioni a distanze ridotte fino a 0,3 nanometri. L'aumento della densità dei portatori nello strato vicino ha rafforzato progressivamente l'effetto di schermatura. Le misurazioni hanno mostrato che la temperatura critica della superconduttività poteva diminuire di oltre un ordine di grandezza, mentre lo stato isolante correlato scompariva nelle stesse condizioni.

Il risultato allontana l'ipotesi di una spiegazione semplice basata sui fononi. Se i fononi fossero il principale motore del fenomeno, ci si aspetterebbe che l'indebolimento delle interazioni tra elettroni lasciasse la superconduttività sostanzialmente invariata o la rafforzasse leggermente. È invece accaduto il contrario. Il professor Alexey Berdyugin, autore corrispondente dello studio presso la National University of Singapore, ha dichiarato che il risultato fornisce una chiara prova sperimentale del fatto che le forti interazioni elettrone-elettrone alimentano la superconduttività in questo sistema. I ricercatori non sostengono di aver individuato un unico meccanismo definitivo di appaiamento; restano possibili diverse teorie che coinvolgono interazioni elettroniche collettive.

Per ora, il risultato concreto è uno strumento di laboratorio più selettivo, non un materiale a temperatura ambiente né un dispositivo commerciale. Lo studio è stato condotto a temperature così basse che, come ha osservato il professor Sir Andre Geim, persino l'elio diventa liquido. Ma restringendo i limiti entro cui può formarsi la superconduttività nel grafene ad angolo magico, l'esperimento potrebbe aiutare i ricercatori a studiare altri materiali fortemente interagenti, inclusi i superconduttori ad alta temperatura. Lo studio è stato pubblicato su Physical Review X.