Due distinti stati superconduttivi trovati nel grafene a doppio strato di Bernal sfidano i modelli attuali

19 febbraio 2025 feature

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di Ingrid Fadelli, Phys.org

La superconduttività è una proprietà materiale ampiamente ricercata, che comporta una resistenza elettrica di zero al di sotto di una specifica temperatura critica. Finora è stata osservata in vari materiali, tra cui di recente nei cosiddetti allotropi di grafene a strati multipli (ossia materiali composti da diversi strati di un reticolo esagonale di carbonio).

Studi recenti hanno scoperto che quando il grafene bilayer è posto su un substrato di WSe2 (tungsteno-diselenide), la sua fase superconduttiva è potenziata. Ciò comporta una maggiore densità di portatori di carica e una temperatura critica più alta (ossia la temperatura alla quale un materiale diventa un superconduttore).

Ricercatori dell'Università della California a Santa Barbara e del California Institute of Technology hanno condotto uno studio volto ad approfondire questo potenziamento nell'allotropo di grafite bilayer Bernal. Il loro articolo, pubblicato su Nature Physics, riporta l'osservazione di due distinti stati superconduttivi in questo materiale, mettendo in discussione i modelli attuali di accoppiamento degli elettroni negli allotropi di grafite.

"Prima di questo lavoro, avevamo osservato la superconduttività nel grafene bilayer senza WSe2 e i nostri collaboratori del Caltech, il Prof. Stevan Nadj-Perge e Yiran Zhang, un dottorando all'epoca, ci avevano parlato dei loro recenti risultati di una temperatura critica più alta quando il grafene bilayer viene messo vicino a WSe2", ha dichiarato Ludwig Holleis, primo autore dell'articolo, a Phys.org. "Abbiamo iniziato ad esaminare questa superconduttività di recente scoperta e il potenziamento delle temperature critiche e dei campi magnetici".

L'obiettivo principale dello studio recente condotto da Holleis e colleghi era quello di comprendere meglio il potenziamento delle temperature critiche e dei campi magnetici precedentemente riportati nel grafene bilayer vicino a WSe2, nonché lo stato fondamentale da cui emerge. Per fare ciò, hanno esaminato lo stesso superconduttore che è risultato avere la temperatura critica più alta durante uno studio precedente condotto al Caltech.

"Abbiamo ritrovato lo stesso superconduttore nel campione che abbiamo misurato e abbiamo osservato anche un secondo superconduttore che ha una temperatura critica molto più bassa", ha spiegato Holleis. "In linea di principio, osservare il superconduttore è la parte facile in quanto abbiamo semplicemente effettuato misurazioni della resistenza. Capire poi le sue proprietà è più difficile".

"Per fare questo, abbiamo effettuato misurazioni di oscillazione quantistica ad alta risoluzione, che misurano la superficie di Fermi degli elettroni - in termini semplici, gli stati nello spazio momento in cui l'elettrone può risiedere".

Interessantemente, i ricercatori hanno scoperto che le misurazioni raccolte non erano compatibili con la simmetria rotazionale del cristallo che hanno esaminato. Invece, hanno osservato una direzione preferenziale, nota come nematicità.

"La nematicità è stata trovata in altri materiali superconduttori come gli superconduttori al ferro, e potrebbe avere un ruolo importante anche per la superconduttività qui", ha detto Holleis. "Con il secondo risultato principale, il limite dei campi critici in piano a causa della depauperazione orbitale, abbiamo cercato di comprendere alcuni dati più misteriosi".

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"In sostanza, il campo magnetico critico in piano è generico ed è determinato dal limite Pauli o dall'accoppiamento Inghian dello spin-orbita, come dovrebbe essere nel caso presente. Nessuno di questi sembrava adattarsi a nessuno dei dati sperimentali".

Dopo aver discusso le loro misurazioni con il fisico teorico Prof. Erez Berg presso l'Istituto Weizman e il suo studente Yaar Vituri, Holleis e colleghi hanno proposto un nuovo meccanismo di depauperamento per la superconduttività dei momenti orbitali in piano. Il loro lavoro potrebbe presto ispirare nuovi studi esplorando le distinte fasi superconduttive osservate, aiutando anche a vincolare le teorie che prevedono i meccanismi di accoppiamento negli allotropi di grafite.

"Abbiamo già presentato un articolo di seguito sulla superconduttività nel grafene trilayer con WSe2, condotto da altri due dottorandi nel nostro laboratorio, Caitlin Patterson e Owen Sheekey", ha aggiunto Holleis. "Più in generale, capire questi (ora tanti) superconduttori nel grafene multistrato è difficile, e attualmente stiamo lavorando su nuove tecniche sperimentali per estrarre i loro segreti".

Ulteriori informazioni: Ludwig Holleis et al, Nematicità e disaccoppiamento orbitali nel grafene in bicchiere bilayer Bernal superconduttore, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-024-02776-7

Caitlin L. Patterson et al, Superconduttività e inclinazione dello spin nel grafene trilayer romboidale prossimizzato all'orbita del momento angolare, arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2408.10190

Informazioni sulla rivista: Nature Physics , arXiv

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