Una tastiera materiale fatta di grafene
I ricercatori dell'ETH sono riusciti a rendere isolanti o superconduttori i dischi di grafene appositamente preparati applicando una tensione elettrica. Questo funziona anche localmente, in modo che regioni con proprietà fisiche completamente diverse possano essere create una accanto all'altra nello stesso disco di grafene.
La produzione dei moderni componenti elettronici richiede materiali con proprietà completamente diverse. Ad esempio, esistono isolanti, che non conducono l'elettricità, e superconduttori, che la trasportano completamente senza perdite. Per ottenere una determinata funzionalità del componente, è solitamente necessario combinare diversi materiali di questo tipo. Tuttavia, questo spesso non è facile, soprattutto con le nanostrutture oggi ampiamente utilizzate. I ricercatori dell'ETH di Zurigo, guidati da Klaus Ensslin e Thomas Ihn del Laboratorio di Fisica dello Stato Solido, sono ora riusciti a far sì che un materiale si comporti sia come isolante che come superconduttore, semplicemente applicando una tensione elettrica - o addirittura come entrambi in punti diversi dello stesso materiale. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature Nanotechnology. Il lavoro è stato sostenuto dal Centro nazionale di competenza per la ricerca QSIT (Quantum Science and Technology).
Grafici con un angolo magico
Il materiale utilizzato da Ensslin e dai suoi collaboratori ha il nome un po' ingombrante di "Magic Angle Twisted Bilayer Graphene". In linea di principio, si basa su qualcosa di molto semplice e familiare, il carbonio, ma in una forma speciale e con una torsione particolare. Il punto di partenza sono i dischi di grafene, ossia strati di carbonio dello spessore di un solo atomo. I ricercatori hanno sovrapposto due di questi strati in modo tale che i loro assi cristallini non siano paralleli tra loro, ma racchiudano un "angolo magico" di esattamente 1,06 gradi. "È molto complicato, e bisogna anche controllare con precisione la temperatura dei dischi durante la produzione. Ecco perché spesso va male", spiega Peter Rickhaus, che ha partecipato agli esperimenti come ricercatore post-dottorando.
Nel venti per cento degli esperimenti, tuttavia, funziona e i reticoli cristallini atomici delle fette di grafene formano un cosiddetto motivo moiré, in cui gli elettroni del materiale si comportano in modo diverso rispetto al grafene ordinario. I motivi moiré sono noti, ad esempio, in televisione, dove l'interazione tra un capo di abbigliamento a fantasia e le linee raster dell'immagine televisiva può creare interessanti effetti ottici. I ricercatori hanno anche applicato diversi elettrodi di circa un centinaio di nanometri sulla fetta di grafene ad angolo magico, attraverso i quali possono applicare una tensione elettrica al materiale. Se poi raffreddano il tutto a pochi centesimi di grado sopra lo zero assoluto, accade qualcosa di sorprendente: a seconda della tensione applicata, i dischi di grafene si comportano come un superconduttore o come un isolante, cioè in modo completamente opposto. Questa superconduttività commutabile è stata dimostrata nel 2018 presso il Massachusetts Institute of Technology (MIT) negli Stati Uniti. Ancora oggi, solo pochi gruppi in tutto il mondo sono in grado di produrre campioni di questo tipo.
Isolante e superconduttore nello stesso materiale
Ensslin e i suoi colleghi si stanno spingendo oltre: applicando tensioni diverse ai singoli elettrodi, possono trasformare il grafene ad angolo magico in un isolante in un punto, ma in un superconduttore a poche centinaia di nanometri di distanza.
"Quando l'abbiamo visto, la prima cosa che abbiamo fatto, ovviamente, è stata quella di cercare di realizzare un Contatto Josephson", dice Fokko de Vries, anch'egli ricercatore post-dottorando nel laboratorio di Ensslin. In questi contatti, tra due superconduttori c'è un sottilissimo strato isolante. Ciò significa che la corrente non può fluire direttamente tra i due superconduttori, ma deve attraversare l'isolante per mezzo della meccanica quantistica. Questo cambia a sua volta la conduttività del Contatto in funzione della corrente in modo caratteristico, a seconda che si utilizzi corrente continua o corrente alternata.
Possibile utilizzo nelle tecnologie quantistiche
I ricercatori dell'ETH sono riusciti a produrre il Contatto negli strati di grafene attorcigliati ad angolo magico utilizzando tensioni diverse su tre elettrodi e misurandone le proprietà. "Ora che anche questo ha funzionato, possiamo cimentarci con componenti più complicati, come gli SQUID", spiega de Vries. Negli SQUID ("dispositivi di interferenza quantistica superconduttori"), due contatti sono collegati a formare un anello. Tecnicamente, sono utilizzati per misurare i campi magnetici più piccoli, ma anche in tecnologie moderne come i computer quantistici. Per quanto riguarda le potenziali applicazioni nei computer quantistici, è interessante il fatto che i dischi di grafene possono essere trasformati non solo in isolanti e superconduttori con l'aiuto degli elettrodi, ma anche in magneti o nei cosiddetti isolanti topologici, in cui la corrente può fluire solo in una direzione attraverso il bordo del materiale. Ciò consentirebbe di realizzare diversi tipi di bit quantistici (qubit) in un unico componente.
Una tastiera per i materiali
"Ma si tratta ancora di speculazioni", afferma Ensslin. Ma è entusiasta delle possibilità che si stanno già aprendo grazie al controllo elettrico: "Tra le altre cose, i fisici sperano che questo fornisca nuove conoscenze sui dettagli di come si produce la superconduttività nel grafene ad angolo magico.
Letteratura di riferimento
de Vries F.K. et al: Gate-Defined Josephson Junctions in Magic-Angle Twisted Bilayer Graphene. Nat. nanotechnology 3 maggio 2021. doi: pagina esterna10.1038/s41565-021-00896-2