Il grafene conferisce poteri contorti alla grafite 3D

Negli ultimi anni, l'impilamento di due fogli di grafene leggermente disallineati uno sopra l'altro ha portato alla fisica fenomenale, tra cui la superconduttività sintonizzabile, la memoria quantistica e strani nuovi stati della materia che coinvolgono grumi di elettroni "ammassati". Il curioso comportamento di questi sistemi emerge con un angolo di “torsione” tra il disegno esagonale dei due fogli di appena 1,1 gradi. E con così tanta nuova fisica che emerge, le applicazioni tecnologiche del cosiddetto grafene a doppio strato ritorto hanno appena iniziato a essere immaginate, con misteriose proprietà termiche, ottiche, elettroniche, materiali e di altro tipo che aspettano solo di essere sviluppate.

Ora, gli scienziati negli Stati Uniti e nel Regno Unito hanno iniziato a esplorare i limiti esterni di questi sistemi 2D sovrapposti: cosa accadrebbe se solo uno dei due strati di questi doppi strati avesse lo spessore di un atomo? Quanti strati possono essere aggiunti alla massa finché la magia del doppio strato non scompare? Con sorpresa di questi ricercatori, alcune delle proprietà del doppio strato persistevano anche all'interno di spessi strati di grafite tridimensionale.

Gli strani comportamenti ora osservati nella combinazione grafite-grafene stanno spingendo i ricercatori a rivisitare le strane proprietà della vecchia grafite, osservate fin dagli anni '70.

"La saggezza comune per qualche tempo era... se è un metallo con molti strati, si comporta come se fosse tridimensionale", dice Vladimir Falko, professore di fisica teorica all'Università di Manchester, in Inghilterra. “Era abbastanza insolito vedere che in una pellicola di grafite così spessa fosse possibile vedere il comportamento bidimensionale”.

Nel tentativo di comprendere i limiti del comportamento quantistico degli strati sottili, i gruppi di ricerca dell’Università di Washington e dell’Università di Manchester hanno creato ciascuno due configurazioni leggermente diverse. Il gruppo dell’Università di Washington ha ricoperto uno spesso strato di grafite con un singolo strato di grafene, attorcigliato con una leggera angolazione. Il team dell'Università di Manchester ha utilizzato una pila di grafite simile, ma l'ha ricoperta con un singolo strato di nitruro di boro allo stato di foglio bidimensionale.

Entrambi gli approcci creano la stessa struttura tra i due strati superiori della pila: quello che viene chiamato superreticolo moiré. Si chiama superreticolo perché l'angolo non corrispondente tra i due strati aggiunge nuovi tipi di motivi simili al moiré al sistema. Con uno strato superiore di grafene ritorto, la discrepanza deriva dall'angolo di torsione tra le celle esagonali di ciascun foglio, mentre con uno strato superiore di nitruro di boro, la mancata corrispondenza deriva dalle spaziature reticolari leggermente diverse del nitruro di boro e della grafite sottostante.

Quando sottoposti a forti campi magnetici, i superreticoli moiré subiscono notevoli trasformazioni a causa della spaziatura tra i reticoli notevolmente aumentata. In questo scenario, un flusso magnetico significativamente più grande può ora perforare una singola placca reticolare, trasformando ulteriormente le già strane proprietà del materiale. Man mano che il campo viene sintonizzato, la conduttività del foglio oscilla periodicamente, un fenomeno noto come oscillazioni di Brown-Zak.

I ricercatori non si aspettavano che i loro spessi strati di grafene con un singolo strato di superreticolo moiré nella parte superiore mostrassero tali effetti. I fenomeni descritti sopra, dopo tutto, erano stati osservati solo con una coppia (o una piccola serie) di fogli 2D uno sopra l'altro. Un pezzo di grafite 3D era un terreno completamente nuovo. E i team avevano tutte le ragioni per sospettare che gli strani comportamenti quantistici semplicemente non sarebbero stati osservati nel sistema. Tuttavia, mentre sintonizzavano i loro campi magnetici, i ricercatori hanno osservato oscillazioni nella conduttività dell’intero stack: oscillazioni Brown-Zak caratteristiche dei materiali moiré bidimensionali.

"Se si hanno 18 strati di grafite e si torce solo uno di questi strati di 1 grado, non si sta apportando un cambiamento strutturale molto grande al materiale", afferma Matthew Yankowitz, che ha guidato il progetto dell'Università di Washington. “Ma l'intero stack di grafite si comporta fondamentalmente come un materiale moiré, anche se è un materiale tridimensionale. Quindi questa è, penso, una nuova visione interessante.