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Aug 09, 2023

Studio: La superconduttività si accende e si spegne nella “magia”.

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Con un'attenta rotazione e impilamento, i fisici del MIT hanno rivelato una proprietà nuova ed esotica nel grafene "ad angolo magico": la superconduttività che può essere accesa e spenta con un impulso elettrico, proprio come un interruttore della luce.

La scoperta potrebbe portare a transistor superconduttori ultraveloci ed efficienti dal punto di vista energetico per dispositivi neuromorfici, dispositivi elettronici progettati per funzionare in modo simile alla rapida accensione/spegnimento dei neuroni nel cervello umano.

Il grafene ad angolo magico si riferisce a un impilamento molto particolare di grafene, un materiale sottile come un atomo costituito da atomi di carbonio collegati in uno schema esagonale che ricorda la rete metallica. Quando un foglio di grafene viene impilato sopra un secondo foglio con un preciso angolo "magico", la struttura attorcigliata crea un motivo "moiré" leggermente sfalsato, o superreticolo, in grado di supportare una serie di comportamenti elettronici sorprendenti.

Nel 2018, Pablo Jarillo-Herrero e il suo gruppo al MIT sono stati i primi a dimostrare il grafene a doppio strato ritorto con angolo magico. Hanno dimostrato che la nuova struttura a doppio strato poteva comportarsi come un isolante, proprio come il legno, quando applicavano un certo campo elettrico continuo. Quando hanno aumentato il campo, l’isolante si è improvvisamente trasformato in un superconduttore, consentendo agli elettroni di fluire senza attrito.

Quella scoperta fu uno spartiacque nel campo della “twistronics”, che esplora come determinate proprietà elettroniche emergono dalla torsione e dalla stratificazione di materiali bidimensionali. Ricercatori tra cui Jarillo-Herrero hanno continuato a rivelare proprietà sorprendenti nel grafene ad angolo magico, compresi vari modi per cambiare il materiale tra diversi stati elettronici. Finora, tali “interruttori” hanno agito più come dei dimmer, nel senso che i ricercatori devono applicare continuamente un campo elettrico o magnetico per accendere la superconduttività e mantenerla accesa.

Ora Jarillo-Herrero e il suo team hanno dimostrato che la superconduttività nel grafene ad angolo magico può essere attivata e mantenuta attiva con un semplice impulso anziché con un campo elettrico continuo. La chiave, hanno scoperto, era una combinazione di torsione e impilamento.

In un articolo apparso oggi su Nature Nanotechnology, il team riferisce che, impilando il grafene ad angolo magico tra due strati sfalsati di nitruro di boro - un materiale isolante bidimensionale - l'allineamento unico della struttura a sandwich ha permesso ai ricercatori di attivare la superconduttività del grafene. e si spegne con un breve impulso elettrico.

"Per la stragrande maggioranza dei materiali, se si rimuove il campo elettrico, zzzzip, lo stato elettrico scompare", afferma Jarillo-Herrero, professore di fisica di Cecil e Ida Green al MIT. "Questa è la prima volta che viene realizzato un materiale superconduttore che può essere acceso e spento elettricamente, in modo improvviso. Ciò potrebbe aprire la strada a una nuova generazione di componenti elettronici superconduttori contorti, basati sul grafene."

I suoi coautori del MIT sono l’autrice principale Dahlia Klein PhD ’21, lo studente laureato Li-Qiao Xia e l’ex postdoc David MacNeill, insieme a Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi dell’Istituto nazionale per la scienza dei materiali in Giappone.

Girando l'interruttore

Nel 2019, un team dell’Università di Stanford ha scoperto che il grafene ad angolo magico potrebbe essere costretto a entrare in uno stato ferromagnetico. I ferromagneti sono materiali che mantengono le loro proprietà magnetiche, anche in assenza di un campo magnetico applicato esternamente.

I ricercatori hanno scoperto che il grafene ad angolo magico potrebbe mostrare proprietà ferromagnetiche in un modo che potrebbe essere attivato e disattivato. Ciò è accaduto quando i fogli di grafene sono stati stratificati tra due fogli di nitruro di boro in modo tale che la struttura cristallina del grafene fosse allineata a uno degli strati di nitruro di boro. La disposizione somigliava a un panino al formaggio in cui la fetta di pane superiore e gli orientamenti del formaggio sono allineati, ma la fetta di pane inferiore è ruotata di un angolo casuale rispetto alla fetta superiore. Il risultato ha incuriosito il gruppo del MIT.