Un’illustrazione che rappresenta il materiale ultra-sottile grafene Science Photo Library/Alamy
Perché i fogli sottili di carbonio freddo non offrono resistenza alle correnti elettriche? Due esperimenti ci stanno avvicinando a una risposta – e forse anche a superconduttori pratici a temperatura ambiente.
Kin Chung Fong della Northeastern University in Massachusetts è rimasto sbalordito quando un altro fisico, Abhishek Banerjee dell’Università di Harvard, gli ha detto un numero durante una cena. Stavano studiando diversi aspetti del grafene – fogli di carbonio spessi solo un atomo – ma entrambi hanno fatto la stessa stima su quanto dovrebbe essere difficile per una corrente elettrica che scorre attraverso il grafene cambiare improvvisamente.
Esperimenti passati hanno dimostrato che pile molto fredde di due o tre strati di grafene possono supercondurre, o condurre perfettamente l’elettricità senza resistenza e perdita di energia, se alcuni dei fogli sono ruotati con un angolo speciale. Ma il motivo per cui ciò accade rimaneva misterioso. I due fisici pensavano che la proprietà che avevano stimato durante la cena, chiamata induttanza cinetica, potesse illuminare la risposta.
“La sensazione era come quando sei in un bosco a fare escursioni [attraverso] la foresta, e improvvisamente trovi, beh, aspetta un minuto, non sono l’unica persona in questa foresta profonda,” dice Fong.
Insieme ad altri colleghi, hanno trasformato la loro idea in due esperimenti. Un gruppo ha misurato l’induttanza cinetica per due strati di grafene impilato e ruotato; un secondo gruppo si è concentrato su tre strati.
Joel Wang del Massachusetts Institute of Technology, che faceva parte del gruppo che ha lavorato sul grafene a due strati, dice che misurare l’induttanza cinetica era stato precedentemente proibitivamente difficile. Poiché il grafene multistrato può essere prodotto solo in pezzi molto piccoli, le tecniche standard per misurare le sue correnti superconduttive – come esporlo a particelle o campi magnetici – producevano segnali eccessivamente deboli. Invece, entrambi i team hanno dovuto innovare un setup in cui i minuscoli fiocchi di grafene erano esposti a microonde mentre i ricercatori variavano lentamente proprietà come la temperatura, che deve essere mantenuta molto bassa affinché la superconduttività si verifichi.
Sappiamo che il grafene multistrato superconduce perché gli elettroni al suo interno si accoppiano, e queste coppie fluiscono in correnti più facilmente rispetto alle particelle singole. Ma gli elettroni tipicamente si respingono a vicenda. Come esattamente le particelle si uniscono e quali proprietà hanno queste coppie non è ancora compreso.
“La teoria è [in ritardo] rispetto agli esperimenti qui,” dice Miuko Tanaka dell’Università di Tokyo, che era anche nel gruppo a due strati.
Per due strati di grafene, il suo team ha scoperto che la corrente superconduttiva è molto più “rigida” – resiste al cambiamento di più – di quanto previsto da qualsiasi teoria convenzionale della superconduttività. Hanno rintracciato questa anomalia a qualcosa chiamato geometria quantistica. In particolare, la forma delle funzioni d’onda degli elettroni, che codificano tutte le loro proprietà e comportamenti possibili, sembrava guidare questo tipo esotico di superconduttività.
Nel grafene a tre strati, i ricercatori hanno trovato sorprendenti somiglianze tra l’induttanza cinetica del loro campione e il comportamento di una famiglia di superconduttori completamente diversi – quelli che mantengono le loro proprietà speciali a temperature molto più elevate.
Per questo motivo, sia Banerjee che Tanaka dicono che questi esperimenti potrebbero fare più che far luce sul perché il grafene superconduce – potrebbero anche rivelare proprietà chiave necessarie per i superconduttori a temperatura ambiente. I fisici cercano tali materiali da decenni nella speranza che usarli possa ridurre radicalmente il consumo energetico di molti dispositivi.
“Stiamo trovando leggi interessanti che sembrano emergere in entrambi questi sistemi materiali. Forse quello che stiamo scoprendo è qualcosa di più profondo,” dice Banerjee. Entrambi i team stanno pianificando di eseguire esperimenti simili con altri superconduttori molto sottili.
“Di recente, ci sono stati così tanti nuovi superconduttori bidimensionali che sono interessanti, sorprendenti e un po’ insoliti,” dice Zeyu Hao, anche lui dell’Università di Harvard, che era nel team che ricercava il grafene a tre strati. Ad esempio, all’inizio di questo mese un team diverso ha pubblicato una ricerca che mostra che i cristalli a due strati di un materiale chiamato diseleniuro di tungsteno esibiscono superconduttività quando gli strati sono ruotati l’uno rispetto all’altro.
Nel frattempo, la collega di Hao, Mary Kreidel, ora al NASA Jet Propulsion Laboratory in California, ha già in mente un’applicazione per il grafene impilato e ruotato. Sta lavorando su rivelatori di particelle per missioni spaziali, molti dei quali utilizzano superconduttori. Potrebbero essere resi più piccoli e leggeri – un vantaggio cruciale nel volo spaziale – se fossero fatti di grafene multistrato, dice.