I Re di Cristallo

Due ricercatori giapponesi forniscono ai fisici di tutto il mondo una gemma che ha accelerato il boom dell'elettronica del grafene

L'odore acre del metallo riempie l'aria mentre Takashi Taniguchi raggiunge il nucleo di una delle presse idrauliche più potenti del mondo. Questa macchina alta sette metri può spremere il carbonio e trasformarlo in diamanti, ma oggi non sono nel suo menu. Invece, Taniguchi e il suo collega Kenji Watanabe lo stanno usando per coltivare alcune delle gemme più desiderate nel mondo della fisica.

Negli ultimi otto giorni due incudini d'acciaio hanno frantumato una miscela polverosa di composti all'interno della pressa a temperature superiori a 1.500 °C e fino a 40.000 volte la pressione atmosferica. Ora Taniguchi ha aperto la macchina e l'acqua di raffreddamento gocciola dalle sue viscere. Estrae il premio gocciolante, un cilindro largo 7 centimetri, e inizia a scheggiarne gli strati esterni con un coltello per eliminare i residui metallici che avevano contribuito a regolare le pressioni e le temperature. "Gli ultimi passaggi sono come cucinare", dice, concentrandosi intensamente sui suoi strumenti. Alla fine, rivela una capsula di molibdeno non molto più grande di un ditale. Lo mette in una morsa e lo afferra con una chiave inglese grande quanto il suo avambraccio. Con una sola rotazione, la capsula si rompe e rilascia nell'aria una scarica di polvere in eccesso. All'interno della capsula sono ancora incastonati cristalli scintillanti, chiari, di dimensioni millimetriche noti come nitruro di boro esagonale (hBN).

I laboratori di materiali di tutto il mondo vogliono ciò che Taniguchi e Watanabe stanno realizzando qui all'Extreme Technology Laboratory, un edificio nel verde campus dell'Istituto Nazionale di Scienza dei Materiali (NIMS) a Tsukuba, fuori Tokyo. Negli ultimi dieci anni, i due giapponesi sono stati i principali creatori e fornitori al mondo di hBN ultrapuro, che inviano gratuitamente a centinaia di gruppi di ricerca.

Hanno sacrificato gran parte della loro ricerca e quasi tutto il tempo di lavorazione della loro stampa per questo compito. Ma così facendo, hanno accelerato uno dei campi di ricerca più interessanti nella scienza dei materiali: lo studio del comportamento elettronico in materiali 2D come il grafene, fogli di carbonio dello spessore di un singolo atomo. Questi sistemi entusiasmano i fisici con intuizioni fondamentali su alcuni degli effetti elettronici più esotici del mondo quantistico e potrebbero un giorno portare ad applicazioni nel calcolo quantistico e nella superconduttività: elettricità condotta senza resistenza.

È facile produrre il grafene stesso, utilizzando del nastro adesivo per staccare gli strati di carbonio dalla mina della matita (grafite). Ma per studiare le complesse proprietà elettroniche di questo materiale, i ricercatori devono posizionarlo su una superficie eccezionale: un supporto protettivo perfettamente piatto che non interferisca con gli elettroni che viaggiano velocemente. È qui che entra in gioco l'hBN come sottostrato trasparente o substrato. "Per quanto abbiamo indagato, questo è il substrato più ideale per ospitare il grafene o altri dispositivi 2D", afferma Cory Dean, un fisico della materia condensata della Columbia University di New York City che faceva parte del team che per primo ha elaborato come accoppiare hBN e grafene. "Protegge semplicemente il grafene dall'ambiente in modo meraviglioso."

Quando un fiocco di hBN entra in contatto con il grafene, può anche agire come una pellicola trasparente, consentendo di sollevare con precisione il foglio di carbonio e ricollocarlo. Ciò consente ai ricercatori di creare dispositivi impilando più strati di materiali 2D, come un sandwich (vedi "Sandwich al grafene").

Dall'anno scorso, ad esempio, gli scienziati dei materiali si sono entusiasmati per la scoperta che semplicemente disallineando due fogli di grafene esattamente di 1,1° (un "angolo magico") il materiale può diventare un superconduttore a temperature molto basse. E a luglio, i ricercatori hanno segnalato segni di superconduttività quando tre fogli di grafene sono impilati uno sopra l’altro, senza bisogno di torcerli. Questi studi di ricerca, come centinaia di altri, hanno utilizzato tutti frammenti di hBN di Taniguchi e Watanabe per proteggere i loro campioni. "Siamo semplicemente coinvolti", dice con modestia Taniguchi. “Per noi è una sorta di sottoprodotto”. Dean è più espansivo riguardo all'hBN della coppia: "È davvero l'eroe non celebrato del processo", dice. "È ovunque."