I ricercatori hanno scoperto prove che la superconduttività può essere controllata modificando l’ambiente circostante di un materiale, una scoperta rivoluzionaria che potrebbe portare a dispositivi elettronici più efficienti e a potenti tecnologie quantistiche.
La superconduttività permette a certi materiali di trasportare elettricità senza alcuna perdita di energia quando vengono raffreddati al di sotto di una temperatura critica. Sebbene gli scienziati studino questo fenomeno da decenni, molti dei suoi meccanismi sottostanti rimangono ancora poco compresi. Una comprensione più approfondita di come si forma la superconduttività potrebbe aiutare i ricercatori a progettare materiali migliori e a migliorare i futuri dispositivi elettronici e quantistici.
Il grafene attorcigliato rivela un comportamento insolito
Lo studio, condotto da Chun Ning (Jeanie) Lau, professoressa di fisica presso la Ohio State University, si è concentrato su un materiale appositamente progettato, noto come grafene a doppio strato ritorto. Il materiale è costituito da due fogli di carbonio sovrapposti, ruotandone leggermente uno rispetto all’altro.
Il team di ricerca ha combinato la struttura del grafene con il titanato di stronzio, un materiale sintetico simile al diamante. Questa configurazione ha permesso agli scienziati di osservare e influenzare l’interazione degli elettroni all’interno del sistema.
Le interazioni tra gli elettroni svolgono un ruolo fondamentale nel determinare proprietà come il magnetismo e il legame chimico. Nei superconduttori, gli elettroni si accoppiano in un modo particolare che permette all’elettricità di fluire senza resistenza. Modificando l’ambiente circostante il materiale, il team ha scoperto di poter rafforzare o indebolire queste interazioni e, di fatto, attivare e disattivare la superconduttività.
“Normalmente gli elettroni si respingono, ma nei superconduttori formano coppie; questa formazione di coppie è la chiave della capacità di un superconduttore di condurre elettricità senza dissipazione”, ha affermato Lau. “Le nostre prove suggeriscono che gli elettroni stessi, a seconda della loro sensibilità all’ambiente circostante, siano inaspettatamente importanti per i cambiamenti dei materiali.”
La scoperta mette in discussione la teoria tradizionale dei superconduttori.
I ricercatori sono rimasti sorpresi da una delle loro scoperte. Aumentando determinate modifiche all’interno del materiale, la superconduttività si è indebolita anziché rafforzarsi.
Questo comportamento differisce da quello che gli scienziati osservano tipicamente nei superconduttori convenzionali, dove la riduzione delle forze repulsive tra gli elettroni di solito rafforza la superconduttività. Il risultato inatteso evidenzia come materiali insoliti come il grafene a doppio strato ritorto possano comportarsi in modo molto diverso dai superconduttori tradizionali.
“Se fosse possibile trasmettere elettricità senza perdite di energia, sarebbe di enorme importanza per le tecnologie utilizzate nella nostra vita quotidiana”, ha affermato Lau. “Nonostante le domande fondamentali che necessitano ancora di risposta, questo lavoro apre la strada a un nuovo tipo di meccanismo fisico.”
Questa scoperta potrebbe inoltre aiutare i ricercatori ad avvicinarsi a uno degli obiettivi più importanti del settore: sviluppare superconduttori che funzionino a temperature molto più elevate, potenzialmente anche a temperatura ambiente. Il raggiungimento di questo traguardo potrebbe rivoluzionare radicalmente l’elettronica, i sistemi di comunicazione e le tecnologie di trasmissione dell’energia.
Potenzialità per un’elettronica più efficiente
I risultati, pubblicati su Nature Physics , suggeriscono un metodo più semplice per controllare le condizioni necessarie a creare la superconduttività.
Molti superconduttori ad alta temperatura presentano attualmente limitazioni che ne riducono le prestazioni. I ricercatori ritengono che manipolare l’ambiente circostante di questi materiali potrebbe offrire un nuovo modo per migliorarne le capacità e aumentarne l’efficienza nei futuri dispositivi elettronici.
Secondo l’autore principale Xueshi Gao, dottorando in fisica presso l’Ohio State University, il team prevede che i risultati saranno utili per molti esperimenti e sistemi di materiali diversi in tutto il settore.
“Il meccanismo della superconduttività nel sistema di grafene a doppio strato ritorto che abbiamo utilizzato non è ancora del tutto compreso”, ha affermato Gao. “Ma il nostro risultato può far luce su questo concetto e contribuire a una sua migliore comprensione quando verrà applicato in lavori futuri.”
I ricercatori pianificano ulteriori esperimenti.
Gli scienziati avvertono che questo lavoro rappresenta un primo passo verso la comprensione di una gamma molto più ampia di interazioni elettroniche complesse. La ricerca futura esplorerà altri tipi di interazione e indagherà su ulteriori quesiti fisici sollevati dallo studio.
“Stiamo dimostrando capacità che non avevamo mai mostrato prima, quindi molte persone nel settore sono davvero entusiaste di questo risultato”, ha affermato Lau.
Altri coautori dell’Ohio State includono Aatmaj Rajesh, Emilio Codecido, Daria Sharifi, Zheneng Zhang, Youwei Liu e Marc Bockrath. Tra i collaboratori c’erano Alejandro Jimeno-Pozo, Pierre Pantaleon e Paco Guinea di Imdea Nanoscience in Spagna.
La ricerca è stata finanziata dal Dipartimento dell’Energia e dalla National Science Foundation.
Abstract
Nei superconduttori convenzionali, la formazione di coppie di Cooper è mediata dai fononi. Per le fasi superconduttive nei materiali di moiré, come quella del grafene a doppio strato ritorto, una questione irrisolta è se la formazione di coppie sia guidata da interazioni elettroniche, fononi o una combinazione di entrambi. Qui dimostriamo che, a differenza dei superconduttori convenzionali, la superconduttività nel grafene a doppio strato ritorto dipende fortemente dall’ambiente dielettrico. Posizioniamo il grafene a doppio strato ritorto a breve distanza da un substrato di SrTiO₃ massivo che ha una costante dielettrica elevata e regolabile. Aumentando la costante dielettrica in situ sia in dispositivi ad angolo magico che ad angolo ampio, osserviamo una soppressione costante e infine una completa estinzione dell’intera cupola superconduttiva. I risultati sperimentali sono in accordo qualitativo con un modello teorico in cui il meccanismo di accoppiamento deriva da interazioni di Coulomb schermate da plasmoni, coppie elettrone-lacuna e fononi acustici longitudinali. I nostri risultati mettono in luce la natura non convenzionale della superconduttività in questo materiale, il ruolo ambivalente svolto dalle interazioni elettroniche e dall’ambiente nella sua formazione, e la loro complessa interazione con gli stati isolanti correlati.
Materials provided by Ohio State University. Note: Content may be edited for style and length.
Xueshi Gao, Alejandro Jimeno-Pozo, Pierre A. Pantaleon, Aatmaj Rajesh, Emilio Codecido, Daria L. Sharifi, Zheneng Zhang, Youwei Liu, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Marc W. Bockrath, Francisco Guinea, Chun Ning Lau. Double-edged role of interactions in superconducting twisted bilayer graphene. Nature Physics, 2026; 22 (5): 692 DOI: 10.1038/s41567-026-03243-1
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