La ricerca sui superconduttori non convenzionali ha compiuto un passo avanti significativo grazie a una serie di esperimenti condotti presso il Massachusetts Institute of Technology. Un team di fisici guidato da Pablo Jarillo-Herrero, docente al Dipartimento di Fisica del MIT, ha ottenuto la prima evidenza diretta e inequivocabile che il grafene trilayer attorcigliato ad "angolo magico" (MATTG, Magic-Angle Twisted Tri-layer Graphene) è un superconduttore non convenzionale. Questa scoperta, pubblicata sulla rivista Science con DOI 10.1126/science.adv8376, rappresenta un tassello fondamentale nella comprensione dei meccanismi che potrebbero un giorno portare allo sviluppo di superconduttori funzionanti a temperatura ambiente, obiettivo considerato il "Santo Graal" della fisica della materia condensata.
I superconduttori convenzionali, pur essendo già utilizzati in applicazioni di rilievo come le macchine per risonanza magnetica e gli acceleratori di particelle, richiedono sistemi di raffreddamento complessi per mantenerli a temperature prossime allo zero assoluto. In uno stato superconduttivo, gli elettroni si muovono attraverso il materiale senza resistenza elettrica, formando coppie note come "coppie di Cooper" che scivolano attraverso la struttura cristallina senza dissipare energia. Nei superconduttori tradizionali, questo accoppiamento avviene tramite le vibrazioni del reticolo atomico circostante, che "scuotono" efficacemente le particelle avvicinandole. Ma il MATTG sembra seguire una fisica completamente diversa.
La peculiarità del grafene ad angolo magico risiede nella sua struttura: tre strati atomicamente sottili di carbonio sovrapposti e ruotati secondo angoli specifici, creando pattern di interferenza chiamati "moiré" che conferiscono al materiale proprietà elettroniche esotiche. Dal 2018, quando Jarillo-Herrero e colleghi hanno per primi sintetizzato il grafene ad angolo magico, è nato un intero campo di ricerca denominato "twistronics", dedicato allo studio di materiali bidimensionali precisamente attorcigliati. Già in precedenza erano emersi indizi indiretti di superconduttività non convenzionale nel MATTG, ma mancava la prova definitiva.
Il team del MIT ha sviluppato una piattaforma sperimentale innovativa che combina due tecniche complementari: la spettroscopia a effetto tunnel e la misura del trasporto elettrico. La prima sfrutta un fenomeno quantistico in cui gli elettroni, comportandosi come onde oltre che come particelle, possono "attraversare" barriere che classicamente sarebbero invalicabili. La seconda monitora continuamente la resistenza elettrica del materiale, che diventa nulla quando si raggiunge lo stato superconduttivo. Come spiega Jeong Min Park, coautrice principale dello studio e ricercatrice con dottorato al MIT, "combinando misure di tunneling e trasporto nello stesso dispositivo, abbiamo potuto identificare inequivocabilmente il gap superconduttivo di tunneling, che appariva solo quando il materiale mostrava resistenza elettrica zero".
La misurazione del gap superconduttivo rappresenta l'elemento chiave della scoperta. Questo parametro descrive l'energia necessaria per rompere le coppie di Cooper e riflette quanto sia resiliente lo stato superconduttivo a determinate temperature e campi magnetici. I ricercatori hanno tracciato l'evoluzione di questo gap al variare della temperatura e dell'intensità del campo magnetico applicato. Il risultato è stato sorprendente: il gap presenta una forma a V molto pronunciata, in netto contrasto con il profilo piatto caratteristico dei superconduttori convenzionali. Questa geometria particolare rivela un meccanismo di accoppiamento elettronico fondamentalmente diverso.
Shuwen Sun, studente di dottorato al Dipartimento di Fisica del MIT e coautore principale, sottolinea l'importanza della scoperta: "Esistono molti meccanismi diversi che possono portare alla superconduttività nei materiali. Il gap superconduttivo ci fornisce un indizio sul tipo di meccanismo che può condurre a superconduttori a temperatura ambiente che, in ultima analisi, porteranno beneficio alla società umana". Nel MATTG, gli elettroni nelle coppie di Cooper appaiono molto più strettamente legati rispetto ai superconduttori convenzionali, quasi come se formassero molecole.
Le teorie più accreditate suggeriscono che nel grafene ad angolo magico l'accoppiamento degli elettroni derivi da forti interazioni elettroniche reciproche piuttosto che dalle vibrazioni del reticolo atomico. In altre parole, sono gli elettroni stessi ad aiutarsi vicendevolmente a formare coppie, generando uno stato superconduttivo con una simmetria speciale. Questa caratteristica colloca il MATTG nella famiglia dei superconduttori non convenzionali, una classe di materiali che include i cuprati ad alta temperatura critica e altri sistemi fortemente correlati.
La ricerca ha coinvolto anche Kenji Watanabe e Takashi Taniguchi del National Institute for Materials Science in Giappone, che hanno contribuito con materiali di nitruro di boro esagonale utilizzati come substrati isolanti di altissima qualità. La piattaforma sperimentale sviluppata dal team permette di osservare in tempo reale l'emergere della superconduttività nei materiali bidimensionali, fornendo una "visione diretta" di come gli elettroni si accoppiano e competono con altri stati quantistici all'interno dello stesso campione.
Le implicazioni di questa scoperta vanno ben oltre la caratterizzazione del MATTG. Come osserva Jarillo-Herrero, "comprendere molto bene un superconduttore non convenzionale può innescare la nostra comprensione di tutti gli altri. Questa comprensione potrebbe guidare la progettazione di superconduttori che funzionano a temperatura ambiente". Un superconduttore operativo a temperature ordinarie rivoluzionerebbe numerose tecnologie: cavi elettrici e reti di distribuzione senza perdite energetiche, sistemi di calcolo quantistico pratici e accessibili, dispositivi di levitazione magnetica più efficienti.
Il gruppo di ricerca intende ora applicare la nuova piattaforma sperimentale ad altre strutture bidimensionali attorcigliate e a materiali diversi dal grafene. Mappando sistematicamente il gap superconduttivo in questi sistemi, i fisici sperano di identificare candidati promettenti per tecnologie future e di comprendere i principi fondamentali che governano la superconduttività non convenzionale. Rimangono aperte domande cruciali sul meccanismo esatto che produce l'accoppiamento elettronico nel MATTG e su come questo possa essere ingegnerizzato o ottimizzato.