I fisici scoprono nuovo fenomeno nelle giunzioni grafene – superconduttori

Champaign, Illinois – I ricercatori dell’Illinois hanno documentato le prime osservazioni di alcuni fenomeni insoliti della fisica dei materiali quando due nuovi materiali vengono collegati: i superconduttori e il grafene.

Guidati dal professore di fisica dell’Università dell’Illinois Nadya Mason, il gruppo ha pubblicato i risultati sulla rivista Nature Physics.

Quando una corrente viene applicata ad un conduttore normale, come un metallo o il grafene, essa scorre attraverso il materiale come un flusso di elettroni singoli. Per contro, gli elettroni viaggiano in coppia nei superconduttori. Ma, quando un normale materiale viene inserito a “wafer” tra due superconduttori, il metallo può condurre come se fosse un supercorrente.

I metalli normali possono adottare capacità superconduttive perché gli elettroni accoppiati dal superconduttore sono tradotti in particolari coppie elettrone-lacuna nel metallo normale, i cosiddetti stati legati di Andreev (ABS).

“Se hai due superconduttori con un metallo normale tra essi, si può effettivamente ‘contagiare’ con la superconduttività il materiale normale attraverso questi stati legati, anche se il materiale normale non ha gli ‘elettroni di accoppiamento dei superconduttori”, ha detto Mason.

Gli stati legati (ABS) sono estremamente difficili da misurare o osservare direttamente. I ricercatori possono misurare la conduzione e l’intensità globale di una corrente, ma non sono stati in grado di studiare il fenomeno degli ABS individuali per comprendere la fisica fondamentale che contribuisce a questi stati singolari.

Il gruppo di Mason ha sviluppato un metodo per isolare ABS individuali, collegando  delle sonde di superconduttore a piccoli strati di grafene su nanoscala chiamati punti quantici. Il fatto di usare piccolissime giunzioni di grafene limita l’ABS a livelli di energia discreti all’interno del punto quantico, permettendo ai ricercatori di misurare i fenomeni che avvengono nel superconduttore individualmente e anche di agire per cambiare le loro caratteristiche.

“Prima di questo esperimento, era impossibile capire i fondamenti di ciò che accadeva durante il trasporto della corrente,” ha detto Mason. “Guardare un singolo stato vincolato permette di modificare un parametro e vedere come cambiano le modalità. Si può davvero arrivare a una comprensione sistematica.”

Le giunzioni nei superconduttori sono state proposte per essere utilizzate nei circuiti a transistor superconduttori per sviluppare il cuore dei computer quantistici, i cosiddetti qubit. Ma una maggiore comprensione degli stati ABS può permettere altre applicazioni. Inoltre, potrebbe essere possibile utilizzare il grafene superconduttivo per usarei punti quantici come se fossero qubit allo stato solido.

“Questo è un caso unico in cui abbiamo trovato qualcosa che non avremmo potuto scoprire senza l’utilizzo di tutti questi diversi elementi. – Senza il grafene, o i superconduttori, o i punti quantici, non avrebbe funzionato.  Ci troviamo di fronte ad un nuovo campo della fisica dei materiali e dell’elettronica,” ha detto Mason. In effetti, il grafene è un materiale bidimensionale relativamente recente, e sta rivelandosi pieno di risorse. La scoperta di questo straordinario materiale, costituito da un foglio di atomi di carbonio – spesso solo un atomo -, è valso il premio Nobel ai fisici russi naturalizzati inglesi Andre Geim e Konstantin Novoselov dell’Università di Manchester.