I fisici ricavano la superconduttività dai quasicristalli

In una ricerca che potrebbe suscitare interesse in un’oscura classe di materiali noti come quasicristalli, scienziati e colleghi del MIT hanno scoperto un modo flessibile e relativamente semplice per creare nuove versioni atomicamente sottili che possono essere sintonizzate per adattarsi a fenomeni di interesse. Nel lavoro riportato di recente Questione di 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.

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 articolo su Nature, che Grafene penetrante nell’“angolo magico”. Nel 2018, questo campo è iniziato.

“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.

Rotolo

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 di energia disponibili per gli elettroni e potrebbe fornire le condizioni per l’emergere di fenomeni interessanti”, ha affermato de la Barrera, uno dei quattro coautori dell’ultimo articolo. De la Barrera, che ha condotto questo lavoro come postdoc al MIT, è ora assistente professore all’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:

• Trasformare un materiale moiré noto come grafene a doppio strato ritorto ad angolo magico in tre diversi e utili dispositivi elettronici. (Gli scienziati coinvolti in questo lavoro, Segnalato nel 2021, tra cui Daniel Rodin-Legren, co-primo autore del lavoro attuale e ricercatore post-dottorato in fisica del MIT. Erano guidati da Jarillo Herrero.)
• Progettare un nuovo immobile, il fotovoltaico, e convertirlo 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.)

Verso nuovi 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 solo che non gli abbiamo prestato molta attenzione, soprattutto alle sue proprietà elettroniche”, afferma de la Barrera. La nuova piattaforma relativamente semplice può cambiare la situazione.

Saperne di più

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 autore dell’articolo su Nature, 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 e scienziati dei materiali quantistici, vogliamo che i nostri elettroni interagiscano tra loro perché è lì che avviene la strana fisica”. dice de la Barrera.

Alla fine, “attraverso discussioni intercontinentali, siamo stati in grado di decifrare questa cosa, e ora pensiamo di avere una buona idea di cosa sta succedendo”, dice Urey, anche se nota che “non comprendiamo appieno il sistema”. Ancora.” Ci sono ancora parecchi misteri.”

La parte migliore della ricerca è stata “risolvere il puzzle di ciò che avevamo già stabilito”, afferma de la Barrera. “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.

Altri autori dell’articolo su Nature sono il professore di fisica del MIT Raymond C. Ashouri; Malika T. Randrea, ricercatrice presso il MIT Lincoln Laboratory 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.