Una semplice rotazione di due fogli di carbonio posti l’uno sopra l’altro fa emergere fenomeni fisici inaspettati come la superconduttività. Ora nel campo della fisica dei materiali è iniziata una corsa per replicare ed estendere questo risultato, che potrebbe rivoluzionare l’elettronica e potenzialmente aprire la strada ai computer quantistici.
Pablo Jarillo-Herrero sta investendo parte della sua grande energia in una corsa mattutina, schivando i pedoni sorpresi mentre corre via, scomparendo gradualmente in lontananza. Senza dubbio si muoverebbe ancora più velocemente se non fosse vestito con giacca, pantaloni e scarpe eleganti, e se non fosse confinato in uno dei tanti corridoi incredibilmente lunghi che attraversano il campus del Massachusetts Institute of Technology (MIT). Ma quello che gli manca in termini di abbigliamento e logistica lo compensa con la determinazione, spinto dalla consapevolezza che un auditorium affollato aspetta che salga sul podio.
Jarillo-Herrero non è mai stato uno scansafatiche, ma la sua attività ha fatto uno notevole balzo in avanti dal
clamoroso annuncio nel marzo 2018 che il suo laboratorio al MIT aveva scoperto la superconduttività nel grafene a doppio strato ruotato: un foglio di atomi di carbonio spesso un solo atomo posato su un altro e poi ruotato per lasciare i due strati leggermente sfalsati.
La scoperta è stata la più grande sorpresa nel campo della fisica dello stato solido da quando si è scoperto nel 2004 che un foglio intatto di atomi di carbonio – il grafene – può essere staccato da un blocco di grafite con un pezzo di scotch, lavoro che è stato successivamente premiato con il premio Nobel. E ha innescato una corsa frenetica tra i fisici della materia condensata per esplorare, spiegare ed estendere i risultati del MIT, che da allora sono stati replicati in diversi laboratori.
L’osservazione della superconduttività ha creato un inatteso parco giochi per i fisici. Gli obiettivi pratici sono ovvi: fare luce sul percorso verso la superconduttività a temperatura più elevata, ispirare nuovi tipi di dispositivi che potrebbero rivoluzionare l’elettronica, o forse persino accelerare l’arrivo dei computer quantistici. Ma in modo più sottile e forse più significativo, la scoperta ha offerto agli scienziati una piattaforma relativamente semplice per esplorare effetti quantistici esotici. “C’è solo l’imbarazzo della scelta nello studio della nuova fisica nel palcoscenico dell’angolo magico”, ha detto Cory Dean, fisico della Columbia University, tra i primi a replicare la ricerca.
Ruotare tra loro due fogli di grafene esattamente di 1,1 gradi è eccezionalmente difficile, ma i risultati sono straordinari (Olena Shmahalo/Quanta Magazine)
Tutto questo ha lasciato Jarillo-Herrero nella condizione di dover faticare per stare al passo con le richieste di trovarsi improvvisamente di fronte a un settore rovente, che già si è guadagnato un suo nome: twistronics. “Probabilmente più di 30 gruppi stanno iniziando a lavorarci”, ha detto. “Fra tre anni saranno 100. Il campo sta letteralmente esplodendo”. Beh, forse non letteralmente, ma in ogni altro senso, sembra così. Jarillo-Herrero è talmente inondato di richieste di condividere le sue tecniche e di tenere lezioni che quasi triplicando il suo programma di conferenze ha appena intaccato il flusso degli inviti. Addirittura i suoi studenti stanno rifiutando gli inviti a intervenire. All’incontro annuale dell’American Physical Society di marzo ha presenziato solo durante la sua sessione, lasciando fuori dalle porte una folla che sperava di cogliere frammenti del suo intervento.
Per ottenere la sorprendente osservazione, il suo gruppo ha dovuto determinare la torsione precisa e sfuggente tra gli strati, pari quasi esattamente a 1,1 gradi. Da tempo si sospettava che quell’angolo “magico” fosse di particolare interesse per il grafene a doppio strato. Ma nessuno aveva previsto che sarebbe stato così interessante. “Sarebbe stato pazzesco prevedere la superconduttività basandoci su quello che sapevamo”, ha detto Antonio Castro Neto, fisico della National University di Singapore. “La scienza avanza non quando capiamo qualcosa, ma quando succede qualcosa di totalmente inaspettato in un esperimento”.
Oltre ogni immaginazione
Castro Neto lo sapeva. Nel 2007 ha ipotizzato che premendo due fogli di grafene disallineati l’uno contro l’altro, si sarebbero ottenute nuove proprietà. In seguito ha anche ipotizzato che teoricamente il grafene sarebbe potuto diventare un superconduttore, in determinate condizioni. “Ma non ho mai messo insieme le due idee”, ha dichiarato malinconicamente.
Diversi gruppi negli Stati Uniti e in Europa hanno subito iniziato a studiare le proprietà del doppio strato di grafene e, nel 2011, Allan MacDonald, fisico teorico dell’Università del Texas a Austin, ha invitato i suoi colleghi a cercare comportamenti interessanti in un particolare “angolo magico”. Come altri teorici, MacDonald si era concentrato sul modo in cui il disallineamento dei due fogli crea un effetto moiré dipendente dall’angolo, cioè una griglia periodica di celle relativamente giganti, ognuna delle quali è composta da migliaia di celle di cristalli di grafene nei due fogli. Ma mentre altri si scontravano con l’enorme complessità computazionale di determinare come un elettrone sarebbe stato influenzato dalle migliaia di atomi in una cella moiré, MacDonald ha puntato sulla semplificazione.
Ha calcolato che la cella moiré stessa avrebbe avuto una proprietà che variava strettamente con l’angolo di rotazione, più o meno indipendentemente dai dettagli degli atomi che la componevano. Era una proprietà di quelle critiche: la quantità di energia che un elettrone libero nella cella avrebbe dovuto acquisire o cedere per attraversare tramite effetto tunnel i due fogli di grafene. Quella differenza di energia era in genere sufficiente a funzionare come barriera per l’effetto tunnel tra i fogli. Ma MacDonald ha calcolato che via via che l’angolo di rotazione diminuiva da valori più grandi, quell’energia per l’effetto tunnel diminuiva, scomparendo del tutto in corrispondenza di 1,1 gradi.
Quando quell’energia diventava piccola, gli elettroni negli strati rallentavano fino a diventare fortemente correlati l’uno con l’altro. MacDonald non sapeva esattamente che cosa sarebbe successo poi. Forse i fogli di grafene altamente conduttivi si sarebbero trasformati in isolanti, aveva ipotizzato, oppure la torsione avrebbe suscitato proprietà magnetiche. “Non avevo gli strumenti per dire quello che sarebbe successo in questo tipo di sistema fortemente correlato”, ha detto MacDonald. “Sicuramente la superconduttività è la cosa che speri di più di osservare, ma non ho avuto la sfacciataggine di prevederla”.
Le idee di MacDonald in gran parte non erano apprezzate. Quando ha proposto il suo articolo per la pubblicazione, i revisori hanno considerato non plausibili le sue assunzioni semplificative, e l’articolo è stato respinto da diverse riviste prima di arrivare ai “Proceedings of the National Academy of Sciences”. In seguito, dopo la pubblicazione, alcuni fisici sperimentali l’hanno seguito. “Non ero sicuro riguardo a che cosa avremmo ottenuto”, ha detto Dean. “Sembrava una congettura, quindi l’abbiamo messa da parte”.
Anche Philip Kim, fisico della Harvard University, una specie di decano del settore sperimentale del doppio strato di grafene, era restio a cercare l’angolo magico. (Sia Dean sia Jarillo-Herrero avevano una posizione di post-dottorato nel suo laboratorio.) “Pensavo che la teoria di Allan fosse troppo semplice”, ha detto. “E come la maggior parte degli sperimentatori, ho pensato che probabilmente non era possibile controllare l’angolo abbastanza bene. La persone hanno iniziato a dimenticarsene”. In effetti, ha detto Kim, lui e molti altri nel campo erano quasi pronti ad abbandonare il doppio grafene ruotato, pensando che altri materiali nuovi avrebbero potuto offrire opportunità più entusiasmanti.
Ma non Jarillo-Herrero. Aveva già lavorato su un doppio strato di grafene per un anno quando la previsione di MacDonald era stata pubblicata nel 2011, ed era convinto che ci fosse qualcosa di importante, anche dopo che un collega ha cercato di metterlo in guardia sul fatto che potesse trattarsi di una perdita di tempo. “Cerchiamo di essere avventurosi in questo laboratorio e abbiamo un buon fiuto”, ha detto Jarillo-Herrero. “Questo mi è sembrato corretto”.
La sfida, lo sapeva, sarebbe stata creare una coppia ultrapulita e altamente omogenea di fogli di grafene che superasse l’opposizione naturale del materiale a mantenere un angolo di 1,1 gradi. I fogli di grafene mostrano una forte tendenza ad allinearsi l’uno con l’altro. E quando sono forzati in posizione sfalsata, i fogli superflessibili tendono a deformarsi.
Il gruppo di Jarillo-Herrero ha perfezionato ogni aspetto del processo di fabbricazione: dalla creazione e pulizia dei fogli, al loro allineamento con la giusta angolazione, alla pressione in posizione. Le misurazioni dovevano essere effettuate quasi nel vuoto per prevenire la contaminazione, e i risultati dovevano essere raffreddati fino a pochi gradi sopra lo zero assoluto per avere una buona possibilità di osservare il comportamento degli elettroni correlati: a temperature più elevate gli elettroni si muovono con troppa energia per avere un possibilità di interagire in modo intenso.
Il laboratorio ha prodotto decine di “dispositivi”, come li chiamano i ricercatori, con doppio strati di grafene ruotati, ma nessuno ha mostrato prove significative della correlazione elettronica. Poi, nel 2014, uno dei suoi studenti ha portato un dispositivo che, quando esposto a un campo elettrico, mostrava segni di proprietà isolanti non grafeniche. Jarillo-Herrero ha semplicemente messo da parte il dispositivo e ha continuato a crearne di nuovi. “I nostri dispositivi sono complicati. Puoi avere bordi ricurvi e altri difetti che danno risultati strani che non hanno nulla a che fare con la nuova fisica”, spiega. “Se vedi qualcosa di interessante una volta, non presti attenzione. Se lo vedi di nuovo, allora sì che presti attenzione”.
Nell’estate 2017, il dottorando Yuan Cao, che all’età di 21 anni era già al terzo anno del corso di laurea al MIT, ha portato a Jarillo-Herrero un nuovo dispositivo che gli ha dato motivo di prestare attenzione. Come in precedenza, un campo elettrico ha trasformato il dispositivo in un isolante. Ma questa volta, i ricercatori hanno provato ad aumentare ancora di più l’intensità del campo, che improvvisamente è cambiato di nuovo, diventando un superconduttore.
Il laboratorio ha passato i successivi sei mesi a replicare i risultati e a effettuare misurazioni. Il lavoro si è svolto in rigorosa segretezza, rompendo con la cultura tipicamente molto aperta e collaborativa del settore del grafene a doppio strato ruotato. “Non avevo modo di sapere chi altro avrebbe potuto essere vicino alla superconduttività”, ha detto Jarillo-Herrero. “Condividiamo idee e dati tutto il tempo in questo settore, ma siamo anche molto competitivi”.
Nel gennaio 2018, con un articolo pronto, ha chiamato un redattore di “Nature”, spiegando quello che aveva, rendendo contingente la sua richiesta di pubblicazione e concordando un processo di revisione di una settimana, perché un amico gli aveva detto che uno degli articoli sulla tecnica CRISPR aveva ottenuto quel trattamento eccezionale. La rivista ha acconsentito, e l’articolo è stato sottoposto a una rapida revisione.
Jarillo-Herrero ha inviato un’email prima della pubblicazione a MacDonald, che non aveva nemmeno saputo che Jarillo-Herrero cercava ostinatamente l’angolo magico. “Non potevo crederci”, ha detto MacDonald. “Voglio dire, l’ho trovato oltre ogni immaginazione”. Dean ha imparato a conoscerlo insieme al resto della comunità dei fisici in una conferenza del marzo 2018, proprio nel periodo in cui è uscito l’articolo su “Nature”. “I risultati hanno dimostrato che mi ero sbagliato in modo clamoroso”, ha detto Dean.
Il parco giochi perfetto
I fisici sono entusiasti del grafene a doppio strato ruotato all’angolo magico, non perché è probabile che sia un superconduttore di uso pratico, ma perché sono convinti di poter fare luce sulle misteriose proprietà della superconduttività stessa. Per prima cosa, il materiale sembra agire in modo sospetto come un cuprato, un tipo di ceramica esotica in cui la superconduttività può emergere a temperature fino a circa 140 kelvin o a metà strada tra lo zero assoluto e la temperatura ambiente. Inoltre, i salti improvvisi del grafene a doppio strato ruotato – dalla conduzione all’isolamento fino alla superconduzione – con solo un po’ di un campo elettrico esterno indicano che gli elettroni liberi stanno rallentando fino a fermarsi, osserva il fisico Dmitri Efetov dell’Istituto di scienze fotoniche (ICFO) a Barcellona. “Quando si fermano, gli elettroni interagiscono tutti più intensamente”, ha detto. “Quindi possono accoppiarsi e formare un superfluido”. Quello stato simile a un fluido è considerato una caratteristica fondamentale di tutti i superconduttori.
Il motivo principale per cui trent’anni di studio dei cuprati hanno fatto relativamente poca luce sul fenomeno è che i cuprati sono cristalli complessi a più elementi. “Sono materiali poco conosciuti”, ha detto Efetov, sottolineando che si comportano come superconduttori solo quando sono drogati con impurità durante la loro impegnativa fabbricazione per aggiungere elettroni liberi. Il grafene a doppio strato ruotato, d’altra parte, non è altro che carbonio, e il “drogaggio” con più elettroni richiede semplicemente l’applicazione di un campo elettrico variabile a piacimento. “Se esiste un sistema in cui possiamo sperare di capire elettroni fortemente correlati, è questo”, ha detto Jarillo-Herrero. “Invece di far crescere cristalli diversi, basta girare una manopola di tensione, o applicare più pressione, o modificare l’angolo di rotazione”. Uno studente può provare a cambiare il drogaggio in un’ora, praticamente senza alcun costo, osserva Jarillo-Herrero, contro i mesi e le decine di migliaia di dollari che potrebbero essere necessari per provare uno schema di drogaggio leggermente diverso su un cuprato.
Altrettanto unico, ha detto MacDonald, è il numero limitato di elettroni che sembrano fare il lavoro sporco nel grafene a doppio strato ruotato all’angolo magico, circa uno su ogni 100.000 atomi di carbonio. “Osservare i superconduttori a una densità così bassa di elettroni è qualcosa che non ha precedenti”, ha affermato. “È inferiore almeno di un ordine di grandezza rispetto a qualsiasi altra cosa che abbiamo osservato finora”. Sull’archivio on line arxiv.org, dove sono disponibili studi prima che siano pubblicati, sono comparsi più di 100 articoli con teorie che spiegano che cosa potrebbe succedere in un grafene a doppio strato ruotato all’angolo magico. Andrei Bernevig, fisico teorico della Princeton University, lo definisce “un parco giochi perfetto” per esplorare la fisica collegata a questa struttura.
I fisici sembrano desiderosi di giocare. Oltre a essere in grado d’invertire gli estremi della conduttività letteralmente con la pressione di un pulsante, osserva Rebeca Ribeiro-Palau, fisica del Centro per le nanoscienze e le nanotecnologie vicino a Parigi, ci sono già buone prove che le proprietà magnetiche, termiche e ottiche del doppio strato del grafene possano essere spinte verso comportamenti esotici con la stessa facilità delle sue proprietà elettroniche. “In linea di principio è possibile attivare e disattivare qualsiasi proprietà della materia”, ha affermato. MacDonald sottolinea, per esempio, che alcuni degli stati isolanti nel grafene a doppio strato ruotato sembrano accompagnati da un magnetismo che non deriva dagli stati quantistici di spin degli elettroni, come invece accade di solito, ma interamente dal loro momento angolare orbitale, un tipo di magnetismo teorizzato ma mai osservato prima.
L’avvento dell’era della twistronica
Ora che il gruppo di Jarillo-Herrero ha dimostrato che gli angoli magici sono una cosa reale, i fisici stanno cercando di applicare l’approccio twistronico ad altre configurazioni del grafene. Il gruppo di Kim ha sperimentato la torsione di due doppi strati di grafene e ha già trovato prove della superconduttività e della fisica correlata. Altri stanno impilando tre o più strati di grafene nella speranza di ottenere la superconduttività ad altri angoli magici, o forse anche quando gli strati sono allineati. Bernevig afferma che mentre gli strati si accumulano sempre più, i fisici potrebbero essere in grado di far salire la temperatura della superconduttività. Anche altri angoli magici possono avere un ruolo. Alcuni gruppi stanno impacchettando i fogli più strettamente per aumentare l’angolo magico, rendendolo più facile da raggiungere, mentre MacDonald suggerisce che una fisica ancora più ricca può emergere ad angoli magici più piccoli, anche se più difficili da raggiungere.
Nel frattempo, altri materiali stanno entrando nel panorama della twistronica. Semiconduttori e metalli di transizione possono essere depositati su strati ruotati e sono considerati buoni candidati per la fisica correlata con queste strutture, forse più del grafene a doppio strato ruotato. “Si pensa a centinaia di materiali che possono essere manipolati in questo modo”, ha detto Efetov. “Il vaso di Pandora è stato scoperchiato”.
Dean ed Efetov sono tra coloro che rimangono fedeli a quella che si potrebbe già definire la twistronica classica, nella speranza di potenziare gli effetti correlati nei dispositivi di grafene a doppio strato ruotato all’angolo magico, distendendo letteralmente le rughe nella loro fabbricazione. Poiché non c’è legame chimico tra i due strati, e poiché gli strati leggermente sfalsati cercano di allinearsi, costringerli a sostenere una torsione all’angolo magico crea tensioni che portano a protuberanze, avvallamenti e curvature submicroscopiche. Queste distorsioni locali indicano che alcune regioni del dispositivo potrebbero trovarsi nell’intervallo magico degli angoli di rotazione, mentre altre regioni non lo sono. “Ho provato a incollare i bordi degli strati, ma ci sono ancora variazioni locali”, ha spiegato Efetov. “Ora sto cercando di capire come ridurre al minimo lo sforzo iniziale quando gli strati sono premuti insieme”. Di recente Efetov ha segnalato progressi nel fare proprio questo, e i risultati sono già stati ripagati con nuovi stati superconduttori a temperature di circa tre kelvin, cioè due volte più elevate a quanto osservato in precedenza.
Dopo aver fatto molta strada guidando brillantemente il settore del grafene a doppio strato ruotato, Jarillo-Herrero non si è seduto ad aspettare l’arrivo di altri colleghi. L’obiettivo principale del suo laboratorio rimane trovare comportamenti sempre più esotici in un doppio strato di grafene ruotato, approfittando del fatto che con un lungo processo per tentativi ed errori ha incrementato la sua resa di campioni superconduttori a quasi il 50 per cento. La maggior parte degli altri gruppi hanno a che fare con rendimenti di un decimo di quello di Jarillo-Herrero o anche meno. Dato che occorrono circa due settimane per fabbricare e testare un dispositivo, è un enorme vantaggio in termini di produttività. “Stiamo appena iniziando a vedere tutti gli stati affascinanti che usciranno da questi sistemi a grafene ad angolo magico”, ha detto. “C’è un ampio spazio delle fasi da esplorare.” Ma per coprire le sue basi, ha portato il suo laboratorio a esplorare la twistronica anche in altri materiali.
La posta in gioco per ottenere superconduttori più facili da realizzare, con prestazioni migliori e a temperature più elevate è enorme. A parte la visione spesso evocata di far levitare i treni, la riduzione della perdita di energia nella trasmissione di elettricità rilancerebbe le economie e taglierebbe drasticamente le emissioni dannose in tutto il mondo. La fabbricazione dei qubit potrebbe improvvisamente diventare pratica, forse inaugurando l’ascesa dei computer quantistici. Anche senza la superconduttività, i normali computer e altri dispositivi elettronici potrebbero ottenere un enorme incremento delle prestazioni rispetto ai costi dalla twistronica, poiché in teoria interi circuiti elettronici complessi potrebbero essere integrati in pochi fogli di carbonio puro, senza bisogno di una dozzina, o più, di strati incisi in modo complicato e composti da materiali problematici, come invece avviene con gli attuali chip. “Si potrebbero integrare proprietà diverse della materia in questi circuiti, mettendoli l’uno accanto all’altro e facendoli variare con campi elettrici locali”, ha affermato Dean. “Non riesco a trovare parole per descrivere quanto sia profondo. Dovrei inventare qualcosa. Forse l’ingegneria dei materiali dinamici?”.
Alla fine però queste speranza hanno portato a qualcosa, per ora l’entusiasmo per il grafene a doppio strato ruotato sembra aumentare. “Alcuni potrebbero essere timidi nel dirlo, ma io non lo sono”, ha detto Castro Neto. “Se il settore continua così com’è ora, qualcuno riceverà un premio Nobel.” Questo tipo di discorso probabilmente è prematuro, ma anche senza c’è molta pressione su Jarillo-Herrero. “Quello che ha fatto il mio laboratorio genera aspettative non realistiche”, ammette. “Tutti sembrano pensare che produrremo un nuovo traguardo ogni anno”. È certamente determinato a dare ulteriori importanti contributi, ha detto, ma prevede che qualunque sarà la prossima scoperta elettrizzante, probabilmente verrà fuori da un laboratorio diverso dal suo. “L’ho già accettato come un dato di fatto, e sono sereno,” ha detto. “Sarebbe noioso trovarsi in un settore che sei l’unico a far avanzare”.
David H. Freedman/Quanta Magazine
(L’originale di questo articolo è stato pubblicato il 30 aprile 2019 da QuantaMagazine.org, una pubblicazione editoriale indipendente online promossa dalla Fondazione Simons per migliorare la comprensione pubblica della scienza. Traduzione ed editing a cura di Le Scienze. Riproduzione autorizzata, tutti i diritti riservati)
