Nel grafene a due strati ruotato di un angolo "magico", è stata trovata una rara dipendenza lineare della resistenza elettrica dalla temperatura prossima allo zero assoluto. Questa caratteristica rende il grafene a doppio strato correlato a una classe insolita di sostanze chiamate metalli strani. Include, ad esempio, cuprati, compresi i detentori del record per la temperatura della superconduttività a pressione normale, nonché rutenati, pnictidi e alcuni altri materiali. La scoperta conferma la presenza di un nuovo meccanismo fondamentale di carica e trasferimento di calore in tali composti, scrivono gli autori sulla rivista Physical Review Letters.
Il grafene è una modifica allotropica bidimensionale del carbonio, costituita da atomi disposti sotto forma di esagoni, uniti in fogli di spessore atomico. Il grafene ha molte proprietà insolite che sono potenzialmente utili nella scienza e nella tecnologia. Tuttavia, gli scienziati continuano a scoprire nuove caratteristiche insolite di questo materiale.
Una delle scoperte importanti degli ultimi due anni è stata la scoperta della superconduttività nel grafene a doppio strato. Ruotando i fogli di un piccolo angolo si crea un reticolo esagonale moiré periodico con un periodo molto più lungo di quello del grafene stesso. Se l'angolo assume uno dei valori "magici", il più piccolo dei quali è vicino a 1,1 gradi, allora a basse temperature la sostanza entra in uno stato superconduttore. Studi dettagliati hanno dimostrato che tale grafene in alcune proprietà, in particolare il diagramma di fase, è simile ai cuprati - composti, con la scoperta dei quali è apparso il termine superconduttività ad alta temperatura.
Pablo Jarillo-Herrero del Massachusetts Institute of Technology ei suoi colleghi degli Stati Uniti e del Giappone hanno scoperto un'altra caratteristica che fa ruotare il grafene a doppio strato di un angolo "magico" simile ai cuprati: la presenza di una strana fase metallica con una dipendenza lineare della resistenza dalla temperatura vicina zero Assoluto. Tale regolarità non si osserva per i metalli ordinari, in cui, di regola, si verifica un forte aumento della resistenza dopo la fase superconduttrice. Inoltre, al momento non esiste una spiegazione teorica completa per questo fenomeno.
Per molto tempo il trasporto di elettroni nei metalli è stato descritto con successo dalla teoria di Drude, formulata nel 1900, che mette in relazione la conducibilità con la densità degli elettroni considerati come gas, la loro massa e il tempo medio τ tra la dispersione da parte degli ioni. Con correzioni quantistiche che hanno sostituito la massa delle particelle reali con la massa effettiva dei portatori di carica e hanno collegato il tempo tra lo scattering a basse temperature con una proporzionalità τ ∼ T-2, questo modello ha descritto con successo la maggior parte dei dati sperimentali fino agli anni '80.
La scoperta dei cuprati nel 1986 ha dimostrato i limiti della teoria, che non poteva spiegare la fase osservata di uno strano metallo con una dipendenza lineare della resistenza dalla temperatura. Questo comportamento suggerisce che il tempo tra gli scattering è inversamente proporzionale alla prima potenza della temperatura, e non al quadrato, come nel modello di Drude. La scoperta di una strana fase metallica nel grafene a doppio strato indica inoltre la necessità di sviluppare un nuovo approccio teorico ai fenomeni di trasporto e parla della possibilità che tale fase esista in molti sistemi diversi.
Se calcoliamo il tempo tra lo scattering in metalli strani usando la formula di Drude (che è scarsamente dimostrata da un punto di vista teorico), allora otteniamo l'espressione τ = Cℏ ∕ kT, dove ℏ è la costante di Planck, T è la temperatura, k è la costante di Boltzmann e C è un coefficiente numerico proporzionalità. Si ritiene che la velocità di diffusione debba essere correlata alla forza delle interazioni elettrone-elettrone (che sono completamente ignorate nel modello originale di Drude), e sono molto diverse in vari metalli strani.
Tuttavia, le osservazioni mostrano che il coefficiente C è vicino all'unità per un'ampia varietà di metalli strani e, come risulta, anche per il grafene a due strati: nel nuovo lavoro, i valori di C misurati sono scesi nell'intervallo da 1,1 a 1,6. Questa universalità porta i teorici a credere che esista un nuovo meccanismo fondamentale per i fenomeni di trasporto in metalli strani. Gli scienziati associano questa situazione alla dissipazione di Planck, cioè allo stato di entanglement quantistico di molti elettroni, in cui viene raggiunta la velocità massima di dissipazione di energia consentita dalle leggi della fisica.
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Il grafene a due strati può rivelarsi un sistema conveniente per continuare gli esperimenti in questo campo. Il suo principale vantaggio risiede nella capacità di controllare il fattore di riempimento del super reticolo, cioè, appunto, la densità dei portatori di carica, applicando una tensione elettrica, mentre altri strani metalli devono essere fabbricati di nuovo con altre impurità.
Timur Keshelava
