Superconduttività nel grafene a strati, la svolta del MIT crea nuove prospettive per l’elettronica del futuro

Una nuova osservazione sperimentale nel grafene a strati ruotati rivela una superconduttività non convenzionale. 

La ricerca sui materiali bidimensionali compie un nuovo passo decisivo grazie ad una scoperta realizzata al Massachusetts Institute of Technology, dove è stata osservata direttamente una forma inedita di superconduttività nel grafene a strati. Il risultato rafforza l’idea che la manipolazione geometrica dei materiali possa diventare uno strumento utile per progettare le proprietà elettroniche della materia, con ricadute potenzialmente dirompenti per l’elettronica open source e per le tecnologie energetiche. Il materiale al centro dello studio è il cosiddetto magic-angle twisted trilayer graphene, noto come MATTG, una struttura composta da tre fogli di grafene sovrapposti e ruotati tra loro di un angolo estremamente preciso, con una configurazione che genera pattern di interferenza, chiamati moiré, i quali a loro volta alterano profondamente il comportamento degli elettroni. Negli ultimi anni, il grafene ad angolo magico è diventato uno dei sistemi più studiati nella fisica della materia condensata, dal momento che mostra stati elettronici fortemente correlati e difficili da ottenere in materiali tradizionali.

Il contributo più rilevante del team del MIT riguarda l’osservazione diretta della cosiddetta lacuna superconduttiva, un parametro fondamentale che descrive l’energia necessaria per spezzare le coppie di elettroni responsabili della superconduttività. Fino ad oggi, nel grafene attorcigliato l’esistenza di uno stato superconduttivo era stata dedotta indirettamente, soprattutto dalla scomparsa della resistenza elettrica. La nuova tecnica sperimentale ha invece permesso di visualizzare il fenomeno in modo inequivocabile, combinando misure di trasporto elettrico e tunneling quantistico nello stesso dispositivo. Ciò che emerge da queste misurazioni è particolarmente interessante dal punto di vista fisico. La lacuna superconduttiva dell’MATTG non presenta la forma piatta tipica dei superconduttori convenzionali, ma assume un profilo a V ben marcato; la geometria indica che il meccanismo alla base della superconduttività è differente da quello classico mediato dalle vibrazioni del reticolo atomico. Nel grafene a tre strati ruotati, l’accoppiamento degli elettroni sembra invece derivare direttamente dalle loro interazioni reciproche, senza la necessità di un intermediario.

Figura 1 (Fonte: Adobe Stock)

Tale comportamento colloca l’MATTG nella categoria dei superconduttori non convenzionali, una famiglia che comprende anche i cuprati ad alta temperatura critica. Tuttavia, a differenza di questi ultimi, il grafene rappresenta un sistema bidimensionale estremamente pulito e controllabile. La possibilità di regolare con precisione l’angolo di rotazione, la densità elettronica e l’ambiente circostante rende l’MATTG una piattaforma ideale per studiare i meccanismi fondamentali della superconduttività. Dal punto di vista tecnologico, la scoperta ha implicazioni che vanno oltre la pura ricerca di base. I superconduttori attualmente utilizzati richiedono temperature estremamente basse, con costi energetici e infrastrutturali elevati. Comprendere come ottenere uno stato superconduttivo robusto attraverso interazioni elettroniche potrebbe aprire a materiali capaci di funzionare a temperature molto più alte, avvicinando l’obiettivo della superconduttività a temperatura ambiente. Un simile traguardo trasformerebbe profondamente numerosi settori; le reti elettriche potrebbero trasportare energia senza perdite, migliorando l’efficienza complessiva dei sistemi di distribuzione; mentre, nell’elettronica avanzata, i dispositivi superconduttivi più accessibili favorirebbero lo sviluppo di circuiti a bassissimo consumo e di sensori ad altissima sensibilità. Anche il calcolo quantistico trarrebbe beneficio da materiali più stabili e meno dipendenti da complessi sistemi criogenici. La ricerca del MIT si inserisce, inoltre, nel più ampio contesto della twistronics, la disciplina che studia come la rotazione controllata di materiali bidimensionali consenta di progettare nuove fasi della materia. In questa prospettiva, il grafene non è un punto di arrivo, ma un modello di riferimento. La stessa piattaforma sperimentale potrà essere applicata ad altri materiali bidimensionali, ampliando così il catalogo di possibili superconduttori non convenzionali.

Per il mondo dell’elettronica open source, queste scoperte indicano una direzione chiara: il futuro dei materiali non dipenderà più soltanto dalla composizione chimica, ma anche dalla geometria e dall’ingegneria su scala atomica.

La capacità di osservare e comprendere direttamente la superconduttività nel grafene a strati segna un passaggio decisivo verso una nuova generazione di tecnologie, in cui fisica fondamentale e applicazioni pratiche saranno sempre più strettamente intrecciate tra loro.