Nel grafene è stato osservato un nuovo tipo di superconduttività non convenzionale, che promette di rivoluzionare l'energia e la tecnologia.

I materiali superconduttori sono oggi utilizzati per alimentare un'ampia gamma di applicazioni, dalle macchine per la risonanza magnetica agli acceleratori di particelle, ma presentano dei limiti, come la necessità di temperature estremamente basse. Ora, un team scientifico ha intrapreso nuove strade per superarli.

La ricerca si basa sull'osservazione di una versione del grafene, un materiale bidimensionale estremamente sottile, resistente, flessibile e leggero composto da atomi di carbonio, proprietà che lo rendono unico.

I dettagli sono pubblicati sulla rivista Science , in un articolo guidato da fisici del Massachusetts Institute of Technology (MIT) negli Stati Uniti. I superconduttori sono come treni espressi.

Qualsiasi elettricità che "sale" verso uno di questi materiali può attraversarlo senza fermarsi o perdere energia lungo il percorso. Ecco perché sono estremamente efficienti dal punto di vista energetico.

Tuttavia, quelli convenzionali hanno un utilizzo limitato, poiché devono essere raffreddati a temperature bassissime mediante sofisticati sistemi di raffreddamento per mantenerli nel loro stato superconduttore.

Se potessero funzionare a temperature più elevate, simili a quelle ambientali, si aprirebbero le porte a un nuovo mondo di tecnologie, dai cavi elettrici e dalle reti elettriche senza perdite di energia ai sistemi pratici di calcolo quantistico, come spiega una dichiarazione del MIT.

Pertanto, scienziati di vari centri stanno studiando superconduttori non convenzionali, materiali che mostrano superconduttività in modi diversi e potenzialmente più promettenti di quelli attuali. Ed è proprio questo che viene descritto questo giovedì su Science, un "promettente progresso", secondo i suoi autori.

Nello specifico, i ricercatori segnalano nuove prove di superconduttività non convenzionale in una versione del grafene chiamata grafene a tre strati ritorti "ad angolo magico".

Questo materiale viene prodotto impilando tre fogli di grafene dello spessore di un atomo con una specifica angolazione, o torsione, che consente l'emergere di proprietà esotiche. Questo materiale aveva già mostrato in passato segni indiretti di superconduttività non convenzionale e altri comportamenti elettronici insoliti.

La nuova scoperta offre la conferma più diretta finora che il materiale presenta una superconduttività non convenzionale, riassume il MIT. Il grafene è stato isolato 18 anni fa dai russi Andre Geim e Konstantin Novoselov, che hanno ricevuto il Premio Nobel per la fisica nel 2010.

Le incredibili proprietà del grafene sono state presentate in un singolo strato di materiale, ma nel corso degli anni la comunità scientifica si è resa conto che le qualità potevano cambiare sovrapponendo un foglio all'altro.

Nel 2010 è stata pubblicata una serie di articoli teorici in cui si afferma che se oltre a disporre due strati, questi vengono ruotati di un piccolo angolo, le proprietà elettroniche vengono modificate in modo significativo.

Al MIT, sotto la guida dello spagnolo Pablo Jarillo-Herrero, coautore anche dell'articolo di oggi, hanno iniziato a lavorare con il grafene bistrato ritorto, inizialmente utilizzando rotazioni con angoli ampi, che producono anch'essi interessanti cambiamenti nelle proprietà, e in seguito con angoli piccoli, che hanno portato alla sorpresa.

I primi risultati interessanti sono apparsi nel 2016, ma solo nel 2018 sono stati scoperti due comportamenti del grafene con torsione ad angolo magico – come è stato chiamato il minuscolo angolo di torsione utilizzato – che nessuno aveva previsto. La nuova versione del grafene potrebbe diventare sia un isolante che un superconduttore, alternando le due proprietà. Le scoperte hanno dato origine a un campo completamente nuovo noto come "twistronics", dove twist è la parola inglese per "torsione".

Il nuovo studio pubblicato su Science presenta prove di superconduttività non convenzionale in uno di questi fogli di grafene, ma questa volta a tre strati. Nello specifico, il team è stato in grado di misurare il cosiddetto "gap superconduttivo", una proprietà che descrive la resistenza di un materiale allo stato superconduttivo a determinate temperature.

Hanno scoperto che il gap superconduttore è molto diverso da quello dei tipici superconduttori, il che significa che anche il meccanismo attraverso il quale il materiale diventa superconduttore deve essere diverso e non convenzionale.

I ricercatori hanno fatto questa scoperta utilizzando una nuova piattaforma sperimentale che sostanzialmente consente loro di osservare in tempo reale il gap superconduttivo mentre la superconduttività emerge nei materiali bidimensionali.

"Una conoscenza approfondita di un superconduttore non convenzionale può aprire la strada alla comprensione di tutti gli altri", riassume Jarillo-Herrero. "Questa comprensione può guidare la progettazione di superconduttori che operano a temperatura ambiente, ad esempio, il che rappresenta una sorta di Sacro Graal per l'intero settore".