MIT Ricercatori Osservano Superconduttività Non Convenzionale in Grafene Trilivello a Angolo Magico

Ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) hanno riportato l'osservazione di chiare manifestazioni di superconduttività non convenzionale all'interno del grafene trilivello a angolo magico, noto come MATTG. La scoperta, pubblicata sulla rivista Science, fornisce la prova più diretta che il MATTG esibisce un comportamento superconduttivo atipico, distinguendosi dai modelli standard. L'essenza della rivelazione è la misurazione diretta del gap superconduttivo, che ha rivelato un profilo distintivo a forma di V, un'impronta che lo separa dalla simmetria piatta e uniforme tipica dei superconduttori convenzionali.

Questo risultato metodologico è stato reso possibile grazie allo sviluppo di una nuova piattaforma sperimentale che integra la spettroscopia a effetto tunnel con le misurazioni del trasporto elettrico. Il team di ricerca, guidato dai co-primi autori Shuwen Sun, studente laureato del MIT, e Jeong Min Park, Ph.D., ha utilizzato questa strumentazione avanzata per sondare la resilienza dello stato superconduttivo del MATTG al variare della temperatura e dei campi magnetici. L'osservazione del gap superconduttivo è avvenuta solo quando il materiale raggiungeva la resistenza elettrica nulla, il segno distintivo della superconduttività.

La forma a V del gap suggerisce che il meccanismo di accoppiamento degli elettroni non è mediato dalle vibrazioni del reticolo atomico, come accade nei superconduttori convenzionali secondo la teoria BCS. È invece attribuibile a forti interazioni elettroniche intrinseche alla struttura del materiale, indicando un meccanismo di accoppiamento radicalmente diverso. La capacità di mappare il gap superconduttivo in tempo reale in materiali bidimensionali rappresenta un progresso metodologico significativo nel campo della fisica della materia condensata.

La rilevanza di questa indagine trascende la fisica fondamentale, poiché la comprensione dei superconduttori non convenzionali come il MATTG è considerata cruciale per l'obiettivo a lungo termine di sviluppare materiali superconduttori che possano operare a temperatura ambiente. I superconduttori convenzionali, impiegati in applicazioni come le macchine per la risonanza magnetica (MRI) e gli acceleratori di particelle, richiedono sistemi di raffreddamento complessi e costosi per mantenere il loro stato superconduttivo. La scoperta di un meccanismo di accoppiamento robusto, potenzialmente guidato dalle interazioni elettroniche, potrebbe fornire una guida per la progettazione razionale di materiali di nuova generazione con proprietà superiori.

Il MATTG è una struttura complessa ottenuta impilando tre fogli di grafene, un materiale bidimensionale di atomi di carbonio disposti a nido d'ape, con un orientamento angolare preciso, noto come angolo magico, che induce proprietà elettroniche esotiche. Questo sistema si inserisce nella famiglia dei superconduttori a moiré. La ricerca precedente aveva già indicato la presenza di stati correlati e superconduttività in queste strutture, ma la conferma diretta del gap nodale è emblematica di un parametro d'ordine superconduttivo non convenzionale con una simmetria complessa. I co-autori della ricerca includono anche Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi del National Institute for Materials Science in Giappone, sottolineando la collaborazione internazionale nello studio di questi fenomeni quantistici.

L'approccio sperimentale adottato, che combina la misurazione del tunneling con quella del trasporto, ha permesso di superare le difficoltà sperimentali che avevano limitato le precedenti sonde spettroscopiche locali su questo sistema. L'osservazione di un gap superconduttivo a V, distinto da quello isotropo dei sistemi convenzionali, è la prova empirica che la natura dell'accoppiamento elettronico nel MATTG è fondamentalmente diversa, aprendo nuove prospettive per la fisica della materia condensata e l'ingegneria dei materiali quantistici.