Mappate le microscopiche variazioni nell’angolo magico del grafene

La twistronica e l’angolo magico del grafene. Un termine e un’espressione sostanzialmente sconosciuti ai più ma che potrebbero costituire una delle basi di una rivoluzione la cui portata non è nemmeno immaginabile.

Il materiale delle meraviglie

Dalla sua scoperta nel 2004 il grafene non ha smesso di sorprendere i ricercatori, dimostrando qualità straordinarie, ancora tutte da esplorare, e già numerose applicazioni in campo pratico, alcune realizzate altre imminenti: dalle vele solari (facendo divenire realtà un sogno della fantascienza) alle batterie di nuova generazione, più efficienti, capaci e sicure.

Ma questo materiale delle meraviglie un po’ per volta rivela le sue qualità nascoste ed ecco nel 2018 la nuova scoperta, da parte di Pablo Jarillo-Herrero e Yuan Cao del MIT, dell’angolo magico: un foglio di grafene può essere immaginato come un reticolo costituito di elementi esagonali e sovrapponendo due di questi fogli dello spessore di un singolo atomo e modificandone l’allineamento se ne cambiano anche le proprietà, ma in modo radicale, tanto che per esempio in campo elettrico da superconduttore può divenire isolante.

Verso una nuova branca dell’elettronica

Il termine inglese twist significa torsione, rotazione, svolta, da qui il termine twistronica per indicare il nuovo campo di ricerca basato sulle diverse proprietà del grafene e di eventuali altri materiali in base a questo disallineamento.

Una nuova ricerca ha portato alla mappatura, con una precisione senza precedenti, del grafene sottoposto a una graduale rotazione: è emerso che minore è l’angolo creato, più evidenti sono, nella specifica zona presa in esame, le proprietà esotiche acquisite dai due fogli di grafene sovrapposti, in un senso o nell’altro (isolamento o superconduzione).

A fronte di un angolo medio (lungo tutta la struttura del dispositivo) di 1,1°, è stato possibile rilevare variazioni di 0,002°. Considerando che parliamo di nanostrutture di dimensioni atomiche, si tratta di un’impresa estremamente difficile. Un po’ come misurare le variazioni nell’angolo rispetto all’orizzonte di una moneta posta a una distanza di un chilometro.

Si è riusciti a verificare che entro un certo, brevissimo, limite si può variare l’angolo facendo permanere la proprietà esotica in questione e studiarne le modalità di decadimento, fino allo sparire, quando l’angolo diventa troppo ampio.

In un ulteriore studio sono stati sovrapposti quattro fogli di grafene scoprendo che la struttura, una volta piegata a raggiungere il disallineamento desiderato, risulta più sensibile a specifici campi magnetici o elettrici rispetto alla versione a due strati. Questo dovrebbe portare a una maggiore semplicità e controllabilità nei prossimi studi sulle caratteristiche derivanti dall’angolo magico.

Per proseguire la ricerca, servono strumenti di misura in grado di operare a livello quantistico

Finora il gruppo di ricercatori, sempre guidato da Jarillo-Herrero e Cao, aveva potuto contare, per l’analisi della superficie a livello atomico, di una tecnica denominata scanning tunneling microscopy (STM).

Essa tuttavia non era più adeguata per far avanzare ulteriormente gli studi nella direzione desiderata; il Weizmann Institute for Science aveva già sviluppato lo scanning tramite nanoSQUID (Superconducting Quantum Interference Device); portato su scala ulteriormente ridotta, si è dimostrato in grado di rilevare le variazioni nella corrente generata all’interno di una struttura in grafene quando sottoposta, per esempio, a un campo magnetico.

Una tale precisione a livello subatomico è ciò di cui aveva bisogno il team di Jarillo-Herrero e Cao per proseguire le ricerche: la struttura a quattro strati di grafene sembra la via per ottenere, una volta compresa pienamente la meccanica che ne regola le proprietà, risultati pratici potenzialmente rivoluzionari quali superconduttori a temperatura ambiente o far fare decisivi salti di qualità a settori come il calcolo quantistico, con benefici a catena in ogni settore di ricerca.

Di Corrado Festa Bianchet

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