Il MIT conferma la superconduttività non convenzionale in MATTG

La superconduttività si verifica quando gli elettroni si accoppiano, anziché disperdersi come accade nei normali conduttori o nei materiali di uso quotidiano. Questi elettroni accoppiati sono chiamati "coppie di Cooper", e creano un flusso di corrente perfetto e privo di resistenza.

Questa straordinaria proprietà is osservato nei superconduttori quando sono raffreddati al di sotto di una specifica "temperatura critica". Oltre a consentire alla corrente di fluire indefinitamente senza perdita di energia, questi materiali espellono anche campi magnetici, che consentono loro di levitare.

Mentre i superconduttori convenzionali, come quelli in alluminio, richiedono temperature molto basse, i ricercatori stanno attivamente sviluppando materiali che possono supercondurre a temperature più elevate, temperature più pratiche, un passo che potrebbe rivoluzionare l'energia e le tecnologie quantistiche.

I ricercatori del MIT hanno ora raggiunto questa svolta. Hanno osservato un caratteristico gap energetico a forma di V, che indica superconduttività non convenzionale nel grafene ad angolo magico, che segna un importante passo avanti verso i superconduttori a temperatura ambiente.

Grafene ad angolo magico e "Twistronics": come la rotazione degli strati cambia la fisica

Sin dalla scoperta del grafene "ad angolo magico", la questione ha suscitato molto interesse nel mondo scientifico, con i ricercatori che hanno scoperto una miriade di fenomeni quantistici esotici che vanno dagli stati isolanti correlati e dalla superconduttività non convenzionale al magnetismo sintonizzabile e alle fasi topologiche.

Nel 2018, un team di fisici del MIT, guidato da Pablo Jarillo-Herrero, ha creato e osservato per la prima volta gli effetti del grafene ad angolo magico.

Hanno rilevato proprietà elettroniche insolite, come la superconduttività, quando due strati di grafene sono accatastati con un'angolazione molto specifica. Questa struttura attorcigliata è nota come grafene bistrato ritorto ad angolo magico, o MATBG.

Il grafene è un singolo strato di carbonio, spesso appena un atomo, con un reticolo a nido d'ape. La disposizione degli atomi di carbonio in uno schema esagonale assomiglia alla rete metallica e presenta una notevole resistenza, durevolezza e capacità di condurre calore ed elettricità.

Il grafene bilayer, nel frattempo, è una pila di due strati in cui i due reticoli sono orientati in un modo particolare. 

In grafene a doppio strato incontaminato, Jarillo-Herrero e i suoi compagni di squadra hanno osservato il comportamento dell'isolante di Mott (un fenomeno in cui un materiale diventa un isolante a causa della forte repulsione elettrone-elettrone, nonostante ci si aspetti che sia un conduttore) quando i due strati erano contorti con un'angolazione magica.

Questo ha portato allo sviluppo della “twistronics”, una nuova promettente tecnica per regolare le proprietà elettroniche del grafene ruotando gli strati adiacenti del materiale. 

Il metodo è stato poi utilizzato da un team di ricercatori del MIT, dell'Università di Harvard e del NIMS in Giappone per rendere superconduttore il doppio strato ritorto applicando un campo elettrico.

Nel corso del tempo, molti ricercatori hanno studiato varie strutture multistrato di grafene, che mostravano segni di superconduttività non convenzionale.

Nel 2021, i fisici di Harvard sono riusciti a impilare con successo tre strati di grafene e a ruotarli con l'angolazione magica per produrre un sistema a tre strati che esibisce una superconduttività robusta¹ a temperature più elevate rispetto a molti sistemi di grafene a doppio strato. Essendo sensibile a un campo elettrico applicato esternamente, ha inoltre permesso al team di regolare la superconduttività regolando l'intensità del campo.

Questo esperimento ha aiutato gli scienziati a comprendere che la superconduttività della struttura a tre strati è dovuta a forti interazioni elettrone-elettrone, che la rendono più resistente alle temperature più elevate. 

Lo stesso anno, i ricercatori di Princeton ha segnalato una strana somiglianza² tra la superconduttività del grafene magico e quella dei superconduttori ad alta temperatura.

Utilizzando un microscopio a scansione a effetto tunnel (STM), hanno scoperto che gli elettroni accoppiati hanno un momento angolare finito. L'altro riguardava come cambia il comportamento di un materiale superconduttore quando lo stato superconduttore viene spento aumentando la temperatura o applicando un campo magnetico. Mentre gli elettroni si disaccoppiano nei superconduttori convenzionali, in quelli non convenzionali, una certa correlazione è ancora conservato.

Il MIT apre la strada ai superconduttori a temperatura ambiente

La capacità dei superconduttori di condurre elettricità senza alcuna resistenza li rende fondamentali per tecnologie quali gli scanner MRI, la trasmissione e l'immagazzinamento di energia, l'informatica avanzata e gli acceleratori di particelle.

Tuttavia, i superconduttori convenzionali funzionano solo a temperature molto basse. Pertanto, devono essere conservati in sistemi di raffreddamento specializzati per aiutarli a mantenere il loro stato superconduttore.

Se questi materiali potessero supercondurre a temperature più elevate e accessibili, potrebbero ridefinire i sistemi tecnologici in tutto il mondo. Con questo obiettivo, gli scienziati del MIT stanno studiando superconduttori non convenzionali. che si discostano dal comportamento tradizionale.

Di recente, i fisici del MIT hanno osservato questo fenomeno nel grafene a tre strati ritorto ad “angolo magico” (MATTG), fornendo una conferma diretta che MATTG può ospitare superconduttività non convenzionale³.

Come ha osservato Jeong Min Park, coautore principale dello studio, nei superconduttori convenzionali gli elettroni nelle "coppie di Cooper" sono molto distanti tra loro e debolmente legati, a differenza del grafene ad angolo magico, dove "potevamo già vedere le firme che queste coppie sono legate molto strettamente, quasi come una molecola. C'erano indizi che ci fosse qualcosa di molto diverso in questo materiale".

Sebbene studi precedenti abbiano fornito indizi, non ne è stata data una conferma precisa. Come ha osservato lo studio, comprendere la natura della superconduttività nel grafene ad angolo magico è stato impegnativo, con la difficoltà principale nell'individuare il gap superconduttivo. 

Il team del MIT, tuttavia, è riuscito a misurare con successo il gap superconduttivo del MATTG, rivelando l'intensità del suo stato superconduttivo a diverse temperature. Ciò che hanno scoperto è stato un gap nel MATTG completamente diverso da quello dei superconduttori convenzionali, suggerendo che il passaggio del MATTG allo stato superconduttivo dipenda da un meccanismo insolito.
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Come ha osservato Shuwen Sun, coautore principale dello studio e studente laureato presso il Dipartimento di Fisica del MIT, non esiste uno solo, ma molti meccanismi diversi che possono portare alla superconduttività nei materiali, ed è proprio il divario superconduttivo a fornire un indizio su quale particolare meccanismo porti i superconduttori a temperatura ambiente a rivoluzionare l'energia e la tecnologia.

"Quando un materiale diventa superconduttore, gli elettroni si muovono insieme a coppie anziché individualmente, e si crea un gap energetico che riflette il modo in cui sono legati. La forma e la simmetria di questo gap ci rivelano la natura sottostante della superconduttività."

- Park

Per dimostrare la scoperta di un meccanismo non convenzionale, il team ha utilizzato un nuovo sistema sperimentale che consente di osservare direttamente come si forma il gap superconduttore nei materiali bidimensionali (2D). 

Per questo, i ricercatori hanno utilizzato la spettroscopia a effetto tunnel. In questa tecnica su scala quantistica, gli elettroni agiscono sia come onde che come particelle, consentendo loro di "attraversare" barriere che normalmente li fermerebbero. Studiando la facilità con cui gli elettroni possono attraversare un materiale tramite tunnel, i ricercatori hanno scoperto con quanta forza... sono vincolati dentro.

In questo caso, il team ha fatto passare gli elettroni tra due strati di MATTG per misurarne lo stato superconduttore.

Questo metodo da solo, tuttavia, non sempre dimostra la superconduttività di un materiale, rendendo la misurazione diretta cruciale ma impegnativa. Per questo motivo, il team ha combinato la spettroscopia a effetto tunnel con le misure di trasporto elettrico, che tracciano il modo in cui la corrente si muove attraverso un materiale monitorandone al contempo la resistenza.

Il team ha utilizzato questo approccio su MATTG e ha identificato chiaramente il gap di tunneling superconduttore, che si manifestava solo quando il materiale raggiungeva la resistenza zero.

Al variare della temperatura e del campo magnetico, questo gap ha mostrato una curva a V netta, anziché il pattern liscio e piatto solitamente osservato nei superconduttori convenzionali. Secondo lo studio, l'esclusivo gap superconduttore a bassa energia svanisce alla temperatura critica e al campo magnetico superconduttori.

La forma particolare indica un nuovo meccanismo alla base della superconduttività del MATTG, che, sebbene sconosciuto, rende chiaro che il materiale si comporta in realtà in modo diverso da qualsiasi superconduttore convenzionale.

Nella maggior parte dei superconduttori, gli elettroni si accoppiano a causa delle vibrazioni del reticolo atomico circostante, che li spingono l'uno verso l'altro. Ma nel MATTG, afferma Park, l'accoppiamento potrebbe essere dovuto a forti interazioni elettroniche, il che significa che "gli elettroni stessi si aiutano a vicenda ad accoppiarsi, formando uno stato superconduttore con una simmetria speciale".

La tecnica che ha permesso al team di osservare direttamente il gap superconduttore, ovvero la combinazione di spettroscopia a effetto tunnel e misurazioni del trasporto, verrà ora utilizzata per studiare vari materiali contorti e stratificati.

Grazie a questa configurazione, il team è in grado di "identificare e studiare le strutture elettroniche sottostanti la superconduttività e altre fasi quantistiche mentre si verificano, all'interno dello stesso campione", ha osservato Park, "questa visione diretta può rivelare come gli elettroni si accoppiano e competono con altri stati, aprendo la strada alla progettazione e al controllo di nuovi superconduttori e materiali quantistici che un giorno potrebbero alimentare tecnologie o computer quantistici più efficienti".

Utilizzeranno inoltre l'impianto sperimentale per studiare più approfonditamente il MATTG e altri materiali 2D, al fine di individuare nuovi promettenti candidati per tecnologie avanzate.

"Comprendere a fondo un superconduttore non convenzionale potrebbe innescare la nostra comprensione degli altri", ha affermato l'autore senior dello studio, Jarillo-Herrero, professore di fisica Cecil e Ida Green al MIT. "Questa comprensione potrebbe guidare la progettazione di superconduttori che funzionano a temperatura ambiente, ad esempio, che rappresentano una sorta di Sacro Graal dell'intero campo".

Il ruolo della geometria quantistica nel rendere gli elettroni superfluidi

Mentre l'ultima scoperta del MIT sul grafene tristrato ad angolo magico segna un importante passo avanti verso la comprensione della superconduttività non convenzionale, anche studi complementari stanno contribuendo a fornire dettagli chiave, come ad esempio la facilità con cui le coppie di elettroni fluiscono attraverso questi materiali.

È noto che gli elettroni nei materiali superconduttori si muovono senza attrito, ma la facilità con cui le coppie di elettroni possono fluire dipende da fattori come la loro densità. Il termine "rigidità superfluida" descrive la resistenza di un sistema superconduttore alle variazioni del flusso delle sue coppie di elettroni, rendendolo un indicatore chiave della superconduttività.

All'inizio di quest'anno, i fisici del MIT e dell'Università di Harvard hanno direttamente misurata la rigidità superfluida nel grafene ad angolo magico⁴ per comprendere meglio come il materiale è superconduttore. 

Con questo studio, l'obiettivo è stato quello di identificare il meccanismo responsabile della superconduttività nel grafene ad angolo magico, che è determinato principalmente dalla geometria quantistica, ovvero dalla "forma" concettuale degli stati quantistici in un materiale.

Ora, per misurare direttamente la rigidità del superfluido, il team ha sviluppato una nuova tecnica sperimentale che può anche essere utilizzato per effettuare misurazioni simili di altri materiali superconduttori 2D, di cui “c’è un’intera famiglia… in attesa di essere esplorata”.

In materiali come il MATBG, l'accoppiamento di elettroni, noto anche come coppie di Cooper, può formare un superfluido, ovvero possono muoversi attraverso il materiale come una corrente senza sforzo. Tuttavia, sebbene non incontrino resistenza, è comunque necessario applicare una spinta sotto forma di campo elettrico per far muovere la corrente.

"La rigidità superfluida si riferisce alla facilità con cui queste particelle si muovono per ottenere la superconduttività."

– L’autore principale dello studio, Joel Wang, è uno scienziato ricercatore presso il Research Laboratory of Electronics (RLE) del MIT.)

Questa rigidità superfluida viene solitamente misurata utilizzando metodi che collocano il materiale superconduttore in un risonatore a microonde, un dispositivo che risuona alle frequenze delle microonde. In un risonatore a microonde, il materiale modifica sia la frequenza di risonanza che l'induttanza cinetica in proporzione alla sua rigidità superfluida.

Tuttavia, queste tecniche si sono rivelate compatibili con campioni solo da 10 a 100 volte più grandi e più spessi del MATBG, il che significa che è necessario un nuovo approccio per misurare la rigidità dei superfluidi nei superconduttori atomicamente sottili.

Ora, la sfida nel fare ciò con un materiale estremamente delicato come il MATBG è fissarlo alla superficie del risonatore a microonde senza comprometterne la levigatezza. Questo significa creare “un contatto idealmente senza perdite, ovvero superconduttore, tra i due materiali”, altrimenti il ​​segnale a microonde inviato verrà degradato o semplicemente rimbalzerà indietro.

Così, la il team ha prima assemblato MATBG utilizzando tecniche di fabbricazione standard e poi lo ha racchiuso tra due fogli isolanti di nitruro di boro esagonale per preservarne la delicata struttura atomica e le proprietà intrinseche.

Il risonatore era costituito principalmente da alluminio, con una piccola quantità di MATBG aggiunta all'estremità. Per contattare il MATBG, il team lo ha inciso in modo molto netto, esponendo un lato del MATBG appena tagliato, al quale è stato aggiunto l'alluminio. è stato depositato per "fare un buon contatto e formare un conduttore di alluminio", che era connesso al risonatore a microonde in alluminio più grande. 

Il team ha inviato un segnale a microonde attraverso questo risonatore, ha misurato la variazione risultante nella sua frequenza di risonanza e ha dedotto l'induttanza cinetica del MATBG. Dopo aver convertito l'induttanza misurata in un valore di rigidità superfluida, il team ha scoperto che era molto più grande di quanto avrebbero previsto le teorie convenzionali sulla superconduttività.

"Abbiamo visto un aumento di dieci volte della rigidità dei superfluidi rispetto alle aspettative convenzionali, con una dipendenza dalla temperatura coerente con quanto previsto dalla teoria della geometria quantistica," ha affermato l'autore principale Miuko Tanaka. "Questa era una "pistola fumante" che indicava il ruolo della geometria quantistica nel governare la rigidità superfluida in questo materiale bidimensionale."

Investire nella tecnologia superconduttiva

Società americana di superconduttori (AMSC ) è un'azienda di tecnologie energetiche che produce sistemi superconduttori avanzati. Si concentra sulla commercializzazione delle tecnologie superconduttive esistenti e sulla loro applicazione in applicazioni reali, come reti elettriche e applicazioni navali.

AMSC è un fornitore leader di soluzioni di resilienza energetica su scala di megawatt, tra cui Gridtec, Marinetec e Windtec. 

Attraverso queste soluzioni, l'azienda fornisce sistemi di rete avanzati per ottimizzare le prestazioni, l'efficienza e l'affidabilità della rete, soluzioni di propulsione e gestione dell'energia per migliorare la qualità dell'energia e la sicurezza operativa, nonché sistemi e controlli elettronici per turbine eoliche.