Il MIT scopre quattro stati superconduttivi nel grafene

La matita che usate per scrivere contiene grafite. E la grafite, a un livello che l’occhio umano non potrà mai vedere, nasconde strutture con proprietà che sfidano la fisica convenzionale. Un gruppo di ricercatori del Massachusetts Institute of Technology ha appena dimostrato che una particolare configurazione microscopica presente nella grafite naturale è in grado di ospitare quattro distinti stati superconduttivi e che alcuni di essi non solo sopravvivono all’esposizione a un intenso campo magnetico, ma ne escono addirittura più robusti. I risultati sono stati pubblicati il 29 giugno su Nature.

Il materiale protagonista è il grafene romboedrico, una struttura che si trova naturalmente nella grafite e consiste in una pila di quattro o cinque strati di grafene sovrapposti con un leggero sfasamento, l’uno rispetto all’altro, come i gradini di una scala. Per trovarlo bisogna esfoliare blocchi di grafite con del nastro adesivo comune, poi identificare e isolare al microscopio le rare regioni con quel preciso motivo a gradini.

Il gruppo guidato dal professor Long Ju, docente associato di Fisica al MIT, studia da anni queste strutture cercando comportamenti insoliti in materiali naturali, anziché costruire configurazioni artificiali ruotando e sovrapponendo i fogli di grafene. Un approccio che negli anni ha già dato frutti notevoli: nelle ricerche precedenti il team aveva scoperto nel grafene romboedrico sia una rara forma di superconduttività chirale sia fenomeni legati a cariche elettroniche frazionarie, come riportato dal MIT.

La superconduttività è uno stato della materia in cui gli elettroni si accoppiano in strutture dette coppie di Cooper e attraversano un materiale senza incontrare alcuna resistenza elettrica. Migliaia di materiali sono noti per manifestare questa proprietà, ma è estremamente raro che uno stesso materiale ne ospiti più forme contemporaneamente.

Per il nuovo studio, il team ha invertito il metodo rispetto ai lavori precedenti: anziché aggiungere elettroni al grafene romboedrico, li ha rimossi progressivamente, monitorando la resistenza elettrica a temperature prossime allo zero assoluto. In parallelo ha sottoposto i campioni a intensi campi magnetici orientati sia parallelamente sia perpendicolarmente al piano del materiale, grazie alla collaborazione con il gruppo del professor Dominik Zumbuhl all’Università di Basilea, in Svizzera, che dispone delle infrastrutture necessarie per questo tipo di esperimento.

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Quando il campo magnetico potenzia invece di distruggere

I risultati hanno rivelato quattro stati superconduttivi distinti, ciascuno emergente a una specifica densità elettronica. Tre di essi sono sopravvissuti in presenza di un campo magnetico parallelo fino a circa 9 tesla, un’intensità pari a circa 180.000 volte il campo magnetico terrestre. Nella fisica ordinaria, un campo magnetico così potente è più che sufficiente a spezzare le coppie di Cooper e azzerare la superconduttività.

Ma il fenomeno più sorprendente si è manifestato con il campo magnetico orientato perpendicolarmente al piano del materiale. A una specifica densità elettronica, la superconduttività non solo è sopravvissuta: la temperatura critica, ovvero la soglia massima oltre la quale il fenomeno scompare, è salita da circa 55 a circa 90 millikelvin. Contemporaneamente, la quantità di corrente che il materiale riesce a trasportare prima di perdere lo stato superconduttivo è aumentata del 50-60%. In sintesi: il campo magnetico ha potenziato ciò che avrebbe dovuto distruggere.

«Dal punto di vista della fisica fondamentale è molto esotico che un campo magnetico non distrugga la superconduttività, ma la potenzi», ha commentato Long Ju in una nota del MIT.

I ricercatori non hanno ancora una spiegazione definitiva. L’ipotesi avanzata nel paper è che, a determinate densità elettroniche, gli elettroni nel grafene romboedrico possano formare coppie con spin paralleli anziché opposti, come prevede la teoria convenzionale. In questo scenario il campo magnetico, invece di rompere il legame tirando gli spin in direzioni diverse, li manterrebbe allineati, preservando, e in alcuni casi rafforzando, la superconduttività. È un’ipotesi che gli stessi autori indicano come bisognosa di verifiche sperimentali e teoriche ben più approfondite.

Quel che resta indubitabile è il messaggio centrale dello studio: un singolo materiale di carbonio cristallino, strutturalmente semplicissimo e ricavato dalla grafite comune, si rivela capace di ospitare una famiglia di stati superconduttivi non convenzionali che la fisica non aveva ancora catalogato. «Non stiamo solo accettando quello che la natura ci dà», ha osservato Junseok Seo, dottorando e co-primo autore dello studio, «ma applicando controlli aggiuntivi per trasformarlo in qualcosa che la natura non ci dà, ma che può esistere nello stesso materiale».

Per l’immagine di copertina, credit: Amy Pan, RLE