MIT Conferma la Superconduttività Non Convenzionale in MATTG

La superconduttività si verifica quando gli elettroni si accoppiano, anziché disperdersi come avviene nei conduttori normali o nei materiali di tutti i giorni. Questi elettroni accoppiati sono chiamati “coppie di Cooper”, il che crea un flusso perfetto di corrente senza resistenza.

Questa proprietà straordinaria è osservata nei superconduttori quando vengono raffreddati al di sotto di una specifica “temperatura critica”. Oltre a permettere a una corrente di fluire indefinitamente senza perdita di energia, questi materiali espellono anche i campi magnetici, il che consente loro di levitare.

Mentre i superconduttori convenzionali, come quelli in alluminio, richiedono temperature molto basse, i ricercatori stanno sviluppando attivamente materiali che possano supercondurre a temperature più elevate e 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 distintivo gap energetico a forma di V, che indica una superconduttività non convenzionale nel grafene a angolo magico, segnando un importante progresso verso superconduttori a temperatura ambiente.

Grafene a Angolo Magico & ‘Twistronics’: Come la Rotazione degli Strati Cambia la Fisica

Fin dalla scoperta del grafene a “angolo magico”, ha suscitato molto fermento nel mondo scientifico, con i ricercatori che hanno scoperto una miriade di fenomeni quantistici esotici, che vanno da stati isolanti correlati e superconduttività non convenzionale a magnetismo modulabile e 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 a angolo magico.

Hanno rilevato proprietà elettroniche insolite, come la superconduttività, quando due strati di grafene sono impilati a un angolo molto specifico. Tale struttura attorcigliata è conosciuta come grafene bilayer a angolo magico, o MATBG.

Il grafene è un singolo strato di carbonio, spesso un solo atomo, e possiede una struttura a nido d’ape. La disposizione degli atomi di carbonio in un pattern esagonale ricorda una rete di pollaio e mostra una resistenza, durabilità e capacità di condurre calore ed elettricità notevoli.

Il grafene bilayer, nel frattempo, è una pila di due strati in cui le due reticelle sono orientate in un modo particolare.

Nel grafene bilayer puro, Jarillo-Herrero e i suoi collaboratori hanno osservato un comportamento di isolante di Mott (un fenomeno in cui un materiale diventa isolante a causa di una forte repulsione elettrone-elettrone, nonostante ci si aspetti che sia conduttore) quando i due strati sono stati attorcigliati a un angolo magico.

Questo ha portato allo sviluppo della “twistronica”, una promettente nuova 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 il bilayer attorcigliato superconduttivo applicando un campo elettrico.

Nel tempo, molti ricercatori hanno investigato varie strutture di grafene multistrato, le quali hanno mostrato segni di superconduttività non convenzionale.

Nel 2021, i fisici di Harvard hanno impilato con successo tre strati di grafene e li hanno attorcigliati all’angolo magico per produrre un sistema a tre strati che mostra 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 anche permesso al team di regolare la superconduttività modificando l’intensità del campo.

Questo esperimento ha aiutato gli scienziati a capire che la superconduttività della struttura a trilayer è dovuta a forti interazioni elettrone-elettrone, che la rendono più resiliente a temperature più elevate.

Lo stesso anno, i ricercatori di Princeton hanno segnalato una somiglianza sorprendente² tra la superconduttività del grafene magico e quella dei superconduttori ad alta temperatura.

Utilizzando un microscopio a scansione tunneling (STM), hanno scoperto che gli elettroni accoppiati hanno un momento angolare finito. L’altro si è concentrato su come il comportamento di un materiale superconduttivo cambi quando lo stato superconduttivo viene annullato aumentando la temperatura o applicando un campo magnetico. Mentre gli elettroni si separano nei superconduttori convenzionali, in quelli non convenzionali, alcune correlazioni rimangono.

MIT Traccia la Via verso Superconduttori a Temperatura Ambiente

La capacità dei superconduttori di condurre elettricità senza resistenza li rende fondamentali per tecnologie come i scanner MRI, la trasmissione e lo stoccaggio di energia, il calcolo avanzato e gli acceleratori di particelle.

Tuttavia, i superconduttori convenzionali operano solo a temperature molto basse. Pertanto, devono essere mantenuti in sistemi di raffreddamento specializzati per preservare il loro stato superconduttivo.

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

Recentemente, i fisici del MIT hanno osservato questo fenomeno nel grafene a trilayer attorcigliato a “angolo magico” (MATTG), fornendo una conferma diretta che MATTG può ospitare superconduttività non convenzionale³.

Come ha osservato Jeong Min Park, co-autore principale dello studio, nei superconduttori convenzionali gli elettroni nelle “coppie di Cooper” sono molto distanti tra loro e debolmente legati, a differenza del grafene a angolo magico, dove “abbiamo già potuto vedere segnali che queste coppie sono molto strettamente legate, quasi come una molecola. C’erano indizi che ci fosse qualcosa di molto diverso in questo materiale”.

Mentre studi precedenti hanno fornito indizi, non era stato confermato con precisione. Come notato nello studio, comprendere la natura della superconduttività nel grafene a angolo magico è stato difficile, con la principale difficoltà nel distinguere il gap superconduttivo.

Il team del MIT, tuttavia, ha misurato con successo il gap superconduttivo di MATTG, rivelando la forza del suo stato superconduttivo a diverse temperature. Quello che hanno trovato è stato un gap in MATTG completamente diverso da quello dei superconduttori convenzionali, suggerendo che il passaggio di MATTG alla superconduttività dipenda da un meccanismo insolito.
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Come ha osservato l’autrice co-lead dello studio, Shuwen Sun, studentessa laureata nel Dipartimento di Fisica del MIT, non esiste un solo ma molti diversi meccanismi che possono portare alla superconduttività nei materiali, ed è il gap superconduttivo a fornire un indizio su quale particolare meccanismo possa condurre a superconduttori a temperatura ambiente per rivoluzionare l’energia e la tecnologia.

“Quando un materiale diventa superconduttivo, gli elettroni si muovono insieme come coppie piuttosto che individualmente, e c’è un gap energetico che riflette come sono legati. La forma e la simmetria di quel gap ci indicano la natura sottostante della superconduttività.”

– Park

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

Per questo, i ricercatori hanno utilizzato la spettroscopia di tunneling. In questa tecnica a scala quantistica, gli elettroni si comportano sia come onde sia come particelle, permettendo loro di “tunnellare” attraverso barriere che normalmente li fermerebbero. Studiando la facilità con cui gli elettroni possono tunnellare attraverso un materiale, i ricercatori apprendono quanto fortemente sono legati al suo interno.

In questo caso, il team ha fatto tunnellare gli elettroni tra due strati di MATTG per misurare il suo stato superconduttivo.

Questo metodo da solo, tuttavia, non dimostra sempre la superconduttività di un materiale, rendendo la misurazione diretta cruciale ma difficile. Pertanto, il team ha combinato la spettroscopia di tunneling con misurazioni di trasporto elettrico, che tracciano come la corrente si muove attraverso un materiale monitorandone la resistenza.

Il team ha usato questo approccio su MATTG e ha identificato chiaramente il gap di tunneling superconduttivo, che è apparso solo quando il materiale ha raggiunto resistenza zero.

Variando temperatura e campo magnetico, questo gap ha mostrato una curva a V netta piuttosto che il modello liscio e piatto tipicamente osservato nei superconduttori convenzionali. Secondo lo studio, il gap superconduttivo a bassa energia scompare alla temperatura critica superconduttiva e al campo magnetico.

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

Nella maggior parte dei superconduttori, gli elettroni si accoppiano a causa delle vibrazioni nella rete atomica circostante, che li spingono insieme. Ma in MATTG, secondo Park, l’accoppiamento potrebbe derivare da forti interazioni elettroniche, il che significa che “gli stessi elettroni si aiutano a formare coppie, creando uno stato superconduttivo con una simmetria speciale”.

La tecnica che ha permesso al team di osservare direttamente il gap superconduttivo, la combinazione di spettroscopia di tunneling e misurazioni di trasporto, sarà ora utilizzata per studiare vari materiali attorcigliati e stratificati.

Con l’impostazione che permette al team di “identificare e studiare le strutture elettroniche sottostanti della superconduttività e di altre fasi quantistiche mentre si verificano, nello stesso campione”, Park ha osservato che “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 più efficienti o computer quantistici”.

Utilizzeranno anche l’impostazione sperimentale per studiare MATTG e altri materiali 2D in maggiore dettaglio per trovare nuovi candidati promettenti per tecnologie avanzate.

“Comprendere a fondo un superconduttore non convenzionale può innescare la nostra comprensione del resto,” ha detto l’autore senior dello studio, Jarillo-Herrero, professore Cecil e Ida Green di Fisica al MIT. “Questa comprensione può guidare la progettazione di superconduttori che funzionano a temperatura ambiente, ad esempio, che è una sorta di Santo Graal dell’intero campo.”

Il Ruolo della Geometria Quantistica nel Rendere gli Elettroni Superfluidi

Mentre l’ultima scoperta del MIT nel grafene a trilayer a angolo magico segna un grande passo verso la comprensione della superconduttività non convenzionale, studi complementari stanno anche aiutando a colmare dettagli chiave, come la facilità con cui le coppie di elettroni fluiscono attraverso questi materiali.

È noto che gli elettroni nei materiali superconduttivi 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 quanto un sistema superconduttivo sia resistente ai cambiamenti nel 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 misurato la rigidità superfluida nel grafene a angolo magico⁴ per comprendere meglio come il materiale superconduca.

Con questo studio, l’obiettivo è stato identificare il meccanismo responsabile della superconduttività nel grafene a angolo magico, che è principalmente determinato dalla geometria quantistica, o dalla “forma” concettuale degli stati quantistici in un materiale.

Ora, per misurare direttamente la rigidità superfluida, il team ha sviluppato una nuova tecnica sperimentale che può anche essere utilizzata per effettuare misurazioni simili su altri materiali superconduttori 2D, dei quali “c’è un’intera famiglia… in attesa di essere esaminata”.

In materiali come MATBG, l’accoppiamento degli elettroni, ovvero le coppie di Cooper, può formare un superfluido, il che significa che potrebbero muoversi attraverso un materiale come una corrente senza sforzo. Ma sebbene non abbiano resistenza, è comunque necessario applicare una spinta sotto forma di campo elettrico per far muovere la corrente.

“La rigidità superfluida si riferisce a quanto sia facile far muovere queste particelle, al fine di generare la superconduttività.“

– Studio co-lead author Joel Wang, ricercatore presso il Laboratorio di Ricerca di Elettronica (RLE) del MIT

Questa rigidità superfluida è solitamente misurata usando metodi che collocano il materiale superconduttivo in un risonatore a microonde, un dispositivo che risuona a frequenze microonde. In un risonatore a microonde, il materiale modifica sia la frequenza di risonanza sia l’induttanza cinetica in proporzione alla sua rigidità superfluida.

Ma queste tecniche sono state compatibili solo con campioni 10-100 volte più grandi e più spessi di MATBG, il che significa che è necessario un nuovo approccio per misurare la rigidità superfluida nei superconduttori atomici sottili.

Ora, la sfida nel fare ciò con un materiale estremamente delicato come MATBG è collegarlo alla superficie del risonatore a microonde senza disturbare la sua uniformità. Questo significa creare un “contatto idealmente senza perdite — cioè superconduttivo — tra i due materiali”, altrimenti il segnale microonde inviato sarà degradato o semplicemente rimbalzato indietro.

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

Il risonatore era principalmente alluminio, con una piccola quantità di MATBG aggiunta alla fine. Per contattare il MATBG, il team lo ha inciso molto nitidamente, esponendo un lato del MATBG appena tagliato, al quale è stato depositato alluminio per “creare un buon contatto e formare un conduttore di alluminio”, che è stato collegato al più grande risonatore a microonde di alluminio.

Il team ha inviato un segnale microonde attraverso questo risonatore, misurato lo spostamento risultante nella sua frequenza di risonanza e dedotto l’induttanza cinetica di MATBG. Convertendo l’induttanza misurata in un valore di rigidità superfluida, il team ha scoperto che era molto più grande di quanto le teorie della superconduttività convenzionale avrebbero previsto.

“Abbiamo osservato un aumento di dieci volte nella rigidità superfluida rispetto alle aspettative convenzionali, con una dipendenza dalla temperatura coerente con ciò che la teoria della geometria quantistica prevede,” ha detto la co-lead author Miuko Tanaka. “Questo è stato un ‘colpo di pistola fumante’ che ha indicato il ruolo della geometria quantistica nel governare la rigidità superfluida in questo materiale bidimensionale.“

Investire nella Tecnologia Superconduttiva

American Superconductor Corporation (AMSC ) è una società di tecnologia energetica che produce sistemi superconduttori avanzati. Si concentra sulla commercializzazione delle tecnologie superconduttive esistenti e sulla loro applicazione a reti elettriche e applicazioni navali del mondo reale.

AMSC è un fornitore leader di soluzioni di resilienza energetica su scala megawatt, includendo 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, e controlli elettronici e sistemi per turbine eoliche.