Nel laboratorio della Cornell University gli scienziati si sono imbattuti per caso in un materiale che si comporta come se in esso coesistessero contemporaneamente due mondi opposti di elettroni. Si tratta del grafene romboedrico a sei strati: sei fogli di carbonio sovrapposti con uno scorrimento in un motivo ripetuto. Invece di studiare strati attorcigliati, i ricercatori hanno ottenuto una pila regolare, ed è proprio questa ad aver rivelato inattese fasi quantistiche.
Il grafene è da tempo noto per la sua robustezza e la sua conduttività, ma quando gli strati si sovrappongono in un certo modo gli elettroni iniziano a interagire tra loro molto più intensamente. Nella versione a sei strati, a una certa densità di portatori di carica e in presenza di un campo elettrico esterno, si instaura un regime in cui elettroni e lacune coesistono e sono fortemente correlati. È simile a una folla di persone in cui ciascuno influenza il movimento del vicino, invece di limitarsi a seguire la propria strada.
Le misurazioni hanno mostrato la scomparsa della resistenza elettrica — un segno di superconduttività — e un effetto Hall anomalo, che indica un magnetismo orbitale. Due stati superconduttivi sono emersi proprio là dove elettroni e lacune si incrociano. A quanto pare, la loro interazione svolge un ruolo chiave nella formazione di queste fasi, cosa che non era stata osservata nel grafene a cinque strati.
Il dispositivo è stato posto tra strati di nitruro di boro e controllato mediante il campo delle porte. Variando la temperatura, il campo magnetico e la concentrazione dei portatori, il gruppo ha costruito un dettagliato diagramma di fase. Su di esso si vedono chiaramente isolanti indotti dalle interazioni, regioni di superconduttività e due tipi di magnetismo orbitale. I risultati sono stati pubblicati su Nature Physics.
La scoperta è importante non solo per la fisica fondamentale. Comprendere come l'interazione tra elettroni e lacune generi la superconduttività senza i meccanismi tradizionali può avvicinare la creazione di materiali che funzionano a temperature più elevate. Tali materiali saranno utili nei computer quantistici, nelle linee di trasmissione a basso consumo energetico e nei nuovi sensori.
Ora i ricercatori stanno approfondendo la natura del magnetismo orbitale. Verificano l'ipotesi che una parte dei portatori formi una struttura simile a un cristallo, mentre gli altri rimangano in uno stato simile a un liquido. Queste questioni vanno oltre il presente lavoro, ma già ora è chiaro che il grafene a sei strati è diventato una nuova piattaforma per lo studio delle correlazioni quantistiche.
La scoperta casuale ricorda ancora una volta che nel mondo dei materiali bidimensionali basta cambiare il numero di strati o la loro disposizione reciproca perché le proprietà consuete si trasformino in qualcosa di completamente nuovo.
