La superconduttività del grafene

Isolato per la prima volta nel 2004, il grafene è un foglio di carbonio con un solo atomo di spessore. È il costituente strutturale “primitivo” della grafite e per isolarlo è “bastato” imprimere numerosi strappi con dello scotch assottigliando sempre più un pezzo di grafite.

Quest’ultima ha un’organizzazione simile ad un libro, in cui il grafene costituisce le pagine: riuscendo ad isolare la componente più sottile, se ne trae un foglietto con lo spessore di un solo atomo. Questo monostrato, composto da atomi di carbonio disposti a maglie esagonali, mostra proprietà qualitativamente di gran lunga superiori alle leghe più comuni.

È 200 volte più resistente dell’acciaio e con la resistenza meccanica del diamante, ma 6 volte più leggero. Possiede la flessibilità della plastica e la sua peculiarità sta nell’essere superconduttore per elettricità e calore (molto meglio del rame, che oppone più resistenza al flusso di energia). Inoltre, un solo grammo di questa sostanza può raggiungere i 2.630 m² di superficie, oltre a conservare le proprie caratteristiche chimico-fisiche anche qualora i fogli di grafene fossero piegati o perforati.

I ricercatori si sono interessati particolarmente all’accoppiamento debole che si verifica tra gli elettroni in bistrati di grafene. Pablo Jarillo-Herrero, insieme ai suoi colleghi del MIT, è riuscito a dimostrare che le proprietà elettroniche di un doppio strato sono fortemente influenzate dall’orientamento relativo dei suoi due fogli di grafene.

Effetto previsto diversi anni fa da squadre indipendenti in Cile e Stati Uniti che hanno calcolato che quando due strati sono attorcigliati da un “angolo magico”, pari circa a 1,1 gradi, l’uno rispetto all’altro, si verificano “bande piatte“, in cui l’energia cinetica degli elettroni è quasi indipendente dalla loro quantità di moto. 

L’angolo magico

Già nel 2007 Castro Neto, fisico della National University di Singapore, aveva 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.

Allan MacDonald, fisico teorico dell’Università del Texas a Austin, aveva cominciato a ricercare comportamenti interessanti in quell’angolo magico. E si era concentrato su come disallineando due fogli si crea una griglia periodica di celle, ognuna delle quali è composta da migliaia di celle di cristalli di grafene nei due fogli.

In questo modo, 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, variava con il variare della rotazione dei due fogli fino a scomparire 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. Ma MacDonald non sapeva esattamente che cosa sarebbe successo poi.

Ciò che succedeva in realtà era che si creavano strane interazioni tra gli elettroni nei fogli stessi di grafene che mostravano comportamenti non conduttivi. Aggiungendo però piccole quantità di elettroni, gli stessi fogli permettevano a questi di staccarsi e di fruire senza resistenza dando origine ad un comportamento da superconduttore.

Questo significa che potrebbe essere possibile costruire un transistor di solo grafene in cui la conduttività potrebbe essere attivata o disattivata a piacimento passando da uno stato superconduttivo all’isolamento. Secondo Jarillo-Herrero, si tratta di una qualità che potrebbe risultare molto utile nel comparto dei computer quantistici.

Il lavoro di Jarillo-Herrero

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. 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.

Nonostante gli innumerevoli esperimenti, Jarrillo-Herrero non riuscì a produrre un dispositivo che potesse mostrare prove significative della correlazione elettronica. La svolta avvenne quando Yuan Cao, studente di PhD, gli portò un dispositivo in grado di trasformarsi in un isolante in presenza di un campo elettrico, e al tempo stesso di diventare un superconduttore in seguito all’aumento dell’intensità del campo elettrico stesso.

Un comportamento simile ai Cuprati

Molte caratteristiche di questa superconduttività hanno sorprendenti somiglianze con quelle dei superconduttori di tipo II come cuprati e pnictidi. Scoperti nel 1986, questi materiali sono di notevole interesse tecnologico perché rimangono superconduttori a temperature relativamente elevate e forze di campo magnetico altrettanto elevate.

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. Quindi possono accoppiarsi e formare un superfluido”. Quello stato simile a un fluido è considerato una caratteristica fondamentale di tutti i superconduttori.

L’avvento dell’era della twistronica

Con un settore che si è già guadagnato un nome, Jarrillo-Herrero è riuscito a far esplodere un ulteriore campo di ricerca. E ora che ha dimostrato che gli angoli magici sono una realtà, i fisici stanno cercando di applicare questo approccio ad altre configurazioni del grafene. Diversi fisici hanno già provato a sperimentare la torsione di due doppi strati di grafene o hanno provato ad impilare tre o più strati nella speranza di trovare altri angoli magici che permettano la superconduttività.

Questi studi potrebbero permettere ai fisici di essere in grado di far salire la temperatura della superconduttività. 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.

Obiettivi pratici 

Gli obiettivi pratici, in relazione alla superconduttività, 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.

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.

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.

Al MWC di Barcellona l’italianissima Italcementi ha portato in esposizione una riproduzione che mostra il grafene nel contesto del riscaldamento domestico. Se incorporato nel calcestruzzo – non alterandone l’efficienza, ma solo il tipico comportamento isolante – il grafene può condurre il calore e fungere da riscaldamento a pavimento o a parete. La soluzione è congeniale dal punto di vista dell’efficacia e del risparmio energetico, tanto da richiedere anche poca manutenzione.

Nell’ambito sportivo, se nelle suole si aggiunge l’1% di componenti in grafene, la loro resistenza viene implementata del 50 percento. Nelle racchette da tennis, l’aggiunta di grafene al telaio consente una maggiore ridistribuzione della massa della racchetta, conferendole più agilità. 

Una delle destinazioni più interessanti e rilevanti nel quotidiano potrebbe essere il suo utilizzo nelle batterie elettriche, sia per le automobili sia per gli smartphone. Grazie alla superconducibilità del materiale, la loro velocità di ricarica risulterebbe maggiore e la possibilità di usura diminuirebbe significativamente.