Un team collaborativo di scienziati dell'Università di Cornell negli Stati Uniti, dell'Istituto Nazionale per la Scienza dei Materiali del Giappone e dell'Istituto Max Planck per la Struttura e la Dinamica della Materia in Germania ha scoperto stati quantistici insoliti all'interno del grafene a sei strati. Sebbene il grafene sia noto per la sua struttura carboniosa a nido d'ape e il suo potenziale tecnologico, l'accatastamento di più strati può generare proprietà distinte. I ricercatori si sono concentrati sul grafene esalayer romboedrico, una configurazione in cui sei strati sono spostati lateralmente secondo un modello ripetitivo.
La scoperta è stata in parte accidentale. L'autore senior Xiaomeng Liu ha spiegato che il team inizialmente mirava a studiare il grafene romboedrico torcito per creare bande topologiche isolate. Tuttavia, in un dispositivo costruito accatastando due fogli a tre strati, gli strati si sono rilassati allineandosi, formando involontariamente la struttura esalayer romboedrica. Le misurazioni iniziali su questo materiale hanno fatto intuire comportamenti non precedentemente riportati negli studi sul grafene a cinque strati, spingendo verso un'indagine più approfondita del suo diagramma di fase.
Per indagare queste proprietà, il team ha preparato scaglie con lo specifico modello di accatastamento a sei strati e le ha incapsulate tra strati isolanti di nitruro di boro esagonale con gate basati su grafite. Hanno condotto misurazioni estese variando temperatura, campi magnetici, numero di portatori di carica e intensità dei campi elettrici. Questi test hanno rivelato una resistenza elettrica che tende a zero, indicativa di superconduttività, nonché una risposta anomala dell'effetto Hall che suggerisce un magnetismo orbitale guidato dal moto degli elettroni. Inoltre, le oscillazioni quantistiche hanno permesso al team di ricostruire la superficie di Fermi e identificare i tipi di portatori di carica presenti.
Lo studio ha identificato diversi stati elettronici, inclusi stati isolanti guidati da interazioni, regioni che mostrano comportamento superconduttore e due tipi distinti di magnetismo orbitale. In modo particolare, due stati simili alla superconduttività sono emersi specificamente in condizioni in cui coesistevano portatori di elettroni e lacune. Liu ha affermato che le interazioni tra questi due tipi di portatori sembrano svolgere un ruolo centrale nella formazione di questi stati insoliti. I risultati principali includono la scoperta di un nuovo stato superconduttore e di un nuovo magnete orbitale multiferroico all'interno di questo regime semimetallico fortemente correlato.
Questi risultati evidenziano il potenziale del grafene a sei strati per lo studio della superconduttività e dei comportamenti magnetici guidati dalle interazioni elettroniche. I ricercatori stanno ora indagando ulteriormente le origini microscopiche dello stato magnetico orbitale multiferroico osservato. Liu ha notato che il lavoro in corso solleva la possibilità che alcuni portatori formino un cristallo di elettroni mentre altri rimangono in uno stato conduttivo simile a un liquido. Determinare se questo cristallo produce magnetismo orbitale o realizza un solido elettronico topologico rimane una domanda aperta per le ricerche future.
Fonti: Phys.org.