Fisica distorta: scoperta della superconduttività quasicristallina al MIT

Una nuova piattaforma flessibile potrebbe creare materiali misteriosi e portare a nuovi studi su strani fenomeni.

In una ricerca che potrebbe suscitare interesse in una misteriosa classe di materiali noti come quasicristalli, Istituto di Tecnologia del Massachussetts Scienziati e colleghi hanno scoperto un modo relativamente semplice e flessibile per creare nuove versioni atomicamente sottili che possono essere regolate per adattarsi a fenomeni di interesse. Nel lavoro riportato nell’ultimo numero della rivista naturadescrivono proprio questo per far sì che il materiale mostri superconduttività e altro ancora.

La ricerca fornisce una nuova piattaforma non solo per saperne di più sui quasicristalli, ma anche per esplorare fenomeni esotici che potrebbero essere difficili da studiare ma che potrebbero portare a importanti applicazioni e nuova fisica. Ad esempio, una migliore comprensione della superconduttività, dove gli elettroni attraversano un materiale senza resistenza, potrebbe consentire la realizzazione di dispositivi elettronici più efficienti.

Immagine di un quasicristallo moiré (colonna centrale) creato da tre fogli sovrapposti di grafene atomicamente sottile. Credito: Sergio C. De la Barrera/Università di Toronto

Twistronics e la sua associazione con i quasicristalli

Questo lavoro riunisce due campi precedentemente non collegati: i quasicristalli e l’elettronica contorta. Quest’ultima è la specialità di Pablo Jarillo Herrero, professore di fisica di Cecil e Ida Green al MIT e autore corrispondente del nuovo libro natura La scoperta del grafene con un “angolo magico” nel 2018 ha catapultato il campo.

“È davvero straordinario che il campo dell’elettronica chirale continui a creare connessioni inaspettate con altre aree della fisica e della chimica, in questo caso il bellissimo e strano mondo dei cristalli quasperiodici”, afferma Jarillo-Herrero, che è anche affiliato al Materials Research del MIT. Laboratorio e MIT.”. Laboratorio di ricerca per l’elettronica del MIT.

Sviluppi notevoli in Twistronics

La tecnologia Twistronics prevede sottili strati di materiali sovrapposti uno sopra l’altro. Ruotando o torcendo uno o più strati con una leggera angolazione si crea un motivo unico chiamato mesh super moiré. Il motivo moiré, a sua volta, ha un effetto sul comportamento degli elettroni. Sergio C ha detto: “Cambia lo spettro dei livelli energetici a disposizione degli elettroni e potrebbe fornire le condizioni per l’emergere di fenomeni interessanti”, ha affermato de la Barrera, uno dei quattro coautori del recente studio. De la Barrera, che ha condotto questo lavoro come postdoc al MIT, è ora assistente professore all’Università di Toronto.

Aviram Uri (a sinistra) e Sergio C. I de la Barrera fanno parte di un team che ha estratto la superconduttività da un’oscura classe di materiali noti come quasicristalli. Uri è un Pappalardo e ricercatore post-dottorato in VAT al MIT; De la Barrera è un professore assistente presso l’Università di Toronto. Crediti: Eva Cheung/Università di Toronto

Un sistema moiré può anche essere progettato per comportamenti diversi variando il numero di elettroni aggiunti al sistema. Di conseguenza, il campo dell’elettronica chirale ha assistito a un enorme sviluppo negli ultimi cinque anni, con ricercatori di tutto il mondo che l’hanno applicata per creare nuovi materiali quantistici atomicamente sottili. Esempi tratti solo dal MIT includono:

• Conversione di un materiale moiré noto come doppio strato ritorto ad angolo magico Grafene in tre diversi e utili dispositivi elettronici. (Tra gli scienziati coinvolti in questo lavoro, segnalato nel 2021, c’era Daniel Rodin-Legren, co-primo autore del lavoro attuale e ricercatore post-dottorato in fisica del MIT. Erano guidati da Jarilo Herrero.)
• Progettare una nuova proprietà, fotovoltaica, in una nota famiglia di Semiconduttori. (Gli scienziati coinvolti in questo lavoro, Segnalato nel 2021guidato da Jarillo Herrero.)
• Predire nuovi e strani fenomeni magnetici, con tanto di “ricetta” per realizzarli. (Gli scienziati coinvolti in questo lavoro, Segnalato nel 2023, includevano il professore di fisica del MIT Liang Fu e Nisarja Paul, uno studente laureato in fisica del MIT. Sia Fu che Paul sono coautori del presente articolo.)

Scoprire i quasicristalli

Nel lavoro attuale, i ricercatori stavano armeggiando con un sistema moiré composto da tre fogli di grafene. Il grafene è costituito da un singolo strato di atomi di carbonio disposti in forme esagonali che ricordano una struttura a nido d’ape. In questo caso, il team ha sovrapposto tre strati di grafene uno sopra l’altro, ma ha attorcigliato due fogli con angoli leggermente diversi.

Con loro sorpresa, il sistema creò quello che sembrava un cristallo, una classe insolita di materiale scoperta negli anni ’80. Come suggerisce il nome, i quasicristalli si trovano a metà strada tra un cristallo, come un diamante, che ha una struttura che si ripete regolarmente, e un materiale amorfo, come il vetro, “dove gli atomi sono tutti mescolati o disposti in modo casuale”, afferma de la. Barrara. In breve, de la Barrera dice che i quasicristalli “hanno schemi davvero strani” (vedi alcuni esempi Qui).

Tuttavia, rispetto ai cristalli e ai materiali amorfi, si sa relativamente poco sui quasicristalli. Ciò è in parte dovuto al fatto che sono difficili da realizzare. “Ciò non significa che non sia interessante; significa che non gli abbiamo prestato molta attenzione, soprattutto alle sue proprietà elettroniche”, afferma de la Barrera. La nuova piattaforma relativamente semplice potrebbe cambiare la situazione.

Maggiori approfondimenti e collaborazione

Poiché i ricercatori originali non erano esperti di quasicristalli, si sono rivolti a una persona: il professor Ron Lifshitz dell’Università di Tel Aviv. Aviram Uri, uno dei co-primi autori dell’articolo e ricercatore post-dottorato del MIT Pappalardo e Vatat, era uno studente di Lifshitz durante i suoi studi universitari a Tel Aviv ed era a conoscenza del suo lavoro sui quasicristalli. Lifshitz, che è anche l’autore di natura Il documento ha aiutato il team a capire meglio cosa stavano guardando, quello che chiamano moiré quasicristallino.

Successivamente, i fisici hanno messo a punto il quasicristallo moiré per renderlo superconduttore, ovvero condurre la corrente senza alcuna resistenza al di sotto di una certa bassa temperatura. Questo è importante perché i dispositivi superconduttori possono trasmettere corrente attraverso dispositivi elettronici in modo molto più efficiente di quanto sia possibile oggi, ma questo fenomeno non è ancora del tutto compreso in tutti i casi. Il nuovo sistema ondulato quasicristallino fornisce un nuovo modo di studiarlo.

Il team ha anche trovato prove di rottura della simmetria, un altro fenomeno che “ci dice che gli elettroni interagiscono tra loro in modo molto forte”. “Come fisici quantistici e scienziati dei materiali, vogliamo che i nostri elettroni interagiscano tra loro perché è lì che avviene la fisica esotica”, afferma de la Barrera.

Alla fine, “attraverso discussioni tra i continenti, siamo riusciti a decifrare questa cosa, e ora pensiamo di avere un buon controllo su ciò che sta accadendo”, dice Urey, anche se sottolinea che “non comprendiamo ancora appieno il sistema .” . Ci sono ancora parecchi misteri.”

La parte migliore della ricerca, afferma de la Barrera, è stata “risolvere il puzzle di ciò che abbiamo effettivamente realizzato”. “Ci aspettavamo [something else]Quindi è stata una sorpresa molto piacevole quando ci siamo resi conto che in realtà stavamo guardando qualcosa di molto nuovo e diverso.

“Per me è la stessa risposta”, dice Urey.

Riferimento: “Superconduttività e interazioni forti in un quasicristallo moiré sintonizzabile” di Aviram Uri, Sergio C. de la Barrera e Malika T. Randrea, Daniel Rodin-Legren, Trip Devakul, Philip J.D. Crowley, Nisarja Paul, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Ron Lifshitz, Liang Fu, Raymond C. Ashuri, Pablo Jarillo Herrero, 19 luglio 2023, natura.
doi: 10.1038/s41586-023-06294-z

Autori aggiuntivi per natura L’articolo è del professore di fisica del MIT Raymond C. Ashouri; Malika T. Randrea, ricercatrice presso il Lincoln Laboratory del MIT che ha condotto il lavoro come Pappalardo Fellow al MIT ed è co-prima autrice di questo articolo; Trithip Devakul, un assistente professore alla Stanford University che ha condotto il lavoro come ricercatore post-dottorato al MIT; Philip J.D. Crowley, ricercatore post-dottorato presso l’Università di Harvard; e Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi dell’Istituto Nazionale di Scienza dei Materiali in Giappone.

Questo lavoro è stato finanziato dall’Ufficio di ricerca dell’esercito americano, dalla National Science Foundation degli Stati Uniti, dalla Fondazione Gordon e Betty Moore, da una borsa di studio Pappalardo del MIT, da una borsa di studio post-dottorato distinta VATAT in scienza e tecnologia quantistica, JSPS KAKENHI e dalla Israel Science Foundation.