Grafene e Superconduttori: Un Tango Quantistico per Elettroni Super-Selezionati!

Amici appassionati di scienza, preparatevi per un viaggio affascinante nel mondo infinitamente piccolo, dove le leggi della fisica classica lasciano il posto alle bizzarrie e alle meraviglie della meccanica quantistica! Oggi vi parlo di qualcosa che mi entusiasma particolarmente: come possiamo “addomesticare” gli elettroni in un materiale straordinario come il grafene, sfruttando le sue proprietà uniche in combinazione con i superconduttori. L’obiettivo? Aprire nuove strade per le tecnologie quantistiche, in particolare per la creazione di coppie di elettroni “entangled”, cioè intrinsecamente legati tra loro a distanza.

Il cuore di questa storia è un fenomeno chiamato Riflessione di Andreev Incrociata (CAR, dall’inglese Crossed Andreev Reflection). Immaginate un elettrone che arriva da un materiale conduttore e incontra un superconduttore. Invece di rimbalzare o attraversarlo semplicemente, può accadere qualcosa di molto più strano: l’elettrone si “tuffa” nel superconduttore, si accoppia con un altro elettrone per formare una coppia di Cooper (l’unità base della superconduttività) e, per conservare carica e momento, una “lacuna” (l’assenza di un elettrone, che si comporta come una particella con carica positiva) viene emessa. Se questa lacuna viene emessa in un conduttore diverso da quello di partenza, ecco che abbiamo la CAR! Questo processo è fondamentale perché ci permette di separare spazialmente due elettroni che facevano parte di una coppia di Cooper, mantenendo il loro legame quantistico (entanglement).

La Sfida: Eliminare i Guastafeste Quantistici

Sembra fantastico, vero? Peccato che la CAR non sia l’unico processo in gioco. Ci sono altri “attori” sulla scena che possono confondere le acque e rendere difficile osservare e sfruttare la CAR pura. Tra questi, i principali sono:

• Riflessione di Andreev Locale (LAR): L’elettrone incidente viene convertito in una lacuna nello stesso conduttore da cui proveniva. Un po’ come tirare una palla contro un muro e vedersela tornare indietro trasformata.
• Cotunneling Elastico (ECT): L’elettrone semplicemente “salta” da un conduttore all’altro attraverso il superconduttore, senza formare una coppia di Cooper.
• Riflessione Normale (NR): L’elettrone rimbalza sull’interfaccia senza alcuna conversione.

Questi processi competono con la CAR e possono mascherarla, rendendo gli “splitter di coppie di Cooper” – dispositivi che dovrebbero generare elettroni entangled tramite CAR – poco efficienti. La comunità scientifica, me compreso, è quindi costantemente alla ricerca di modi per sopprimere questi processi indesiderati e far emergere la CAR in tutto il suo splendore.

La Nostra Proposta: Una Giunzione Speciale con il Grafene

Ed è qui che entra in gioco il nostro lavoro, concentrato su una giunzione particolare: grafene “staggered” / superconduttore / super-reticolo di difetti lineari periodici nel grafene (LDGSL). Un nome un po’ lungo, lo so, ma ogni componente ha un ruolo cruciale!

Il grafene, questo foglio di atomi di carbonio spesso un solo atomo, ha proprietà elettroniche incredibili. Una di queste è l’esistenza delle cosiddette “valley” (valli), K e K’, che sono come delle “etichette” aggiuntive per gli elettroni, simili allo spin. Possiamo pensare a elettroni che appartengono alla valle K o alla valle K’.

Nella nostra giunzione:

1. L’elettrodo di sinistra è fatto di grafene “staggered”. Questo significa che abbiamo introdotto un potenziale periodico che alterna valori diversi sui due sottoreticoli del grafene. L’effetto principale è quello di creare un gap energetico per le lacune, rendendo difficile la loro formazione e quindi sopprimendo la LAR per certi elettroni.
2. Al centro c’è un superconduttore, il nostro “generatore” di coppie di Cooper.
3. L’elettrodo di destra è un super-reticolo di difetti lineari periodici nel grafene (LDGSL). Questa struttura è geniale perché agisce come un “filtro di valley”: permette il passaggio preferenziale degli elettroni della valle K in una direzione e quelli della valle K’ (o le lacune corrispondenti) nell’altra.

L’idea è di sfruttare queste caratteristiche in modo combinato. Se facciamo incidere un elettrone dalla valle K’ sull’elettrodo di sinistra, il potenziale “staggered” sopprime la LAR. Contemporaneamente, l’LDGSL a destra è “progettato” per bloccare il cotunneling elastico degli elettroni della valle K’. Risultato? L’unica via d’uscita significativa per l’elettrone K’ incidente è attraverso la CAR intra-valley, cioè trasformandosi in una lacuna K’ nell’elettrodo LDGSL di destra. Bingo! CAR dominante!

E cosa succede se facciamo incidere un elettrone della valle K? Beh, in questo caso, la situazione si inverte parzialmente. La CAR e la LAR vengono soppresse, ma può avvenire il cotunneling elastico intra-valley. Questo significa che, analizzando il tipo di portatore di carica (elettrone o lacuna) e la sua “valley” nell’elettrodo di destra, possiamo capire da quale “valley” proveniva l’elettrone incidente! Una sorta di “smistamento quantistico” basato sulle valley.

Risultati Promettenti e Implicazioni Future

Abbiamo condotto simulazioni numeriche dettagliate (utilizzando il metodo della matrice S e la libreria KWANT, per i più tecnici tra voi) per calcolare le probabilità dei vari processi di scattering (NR, LAR, ECT, CAR) sia intra-valley (cioè, l’elettrone rimane nella stessa “valle” durante il processo) sia inter-valley (cambia “valle”).

I risultati sono davvero incoraggianti! Abbiamo dimostrato che:

• Senza il potenziale “staggered” nel grafene di sinistra, la LAR è significativa e la CAR è trascurabile.
• Introducendo il potenziale “staggered”, per gli elettroni incidenti dalla valle K’ e con energie opportune (all’interno del “gap” delle lacune), la LAR viene soppressa e la CAR intra-valley K’ diventa il processo dominante. Il cotunneling elastico per questi elettroni è anch’esso inibito dall’LDGSL.
• Per gli elettroni incidenti dalla valle K, invece, è il cotunneling elastico intra-valley K a farla da padrone, mentre LAR e CAR sono quasi assenti.
• È importante notare che la probabilità di scattering CAR inter-valley (cioè un elettrone K’ che diventa una lacuna K, o viceversa) è significativamente più bassa di quella intra-valley in un ampio range di angoli di incidenza ed energie. Questo è ottimo, perché vogliamo processi “puliti” e ben definiti.

Abbiamo anche analizzato come queste probabilità cambiano con l’angolo di incidenza dell’elettrone. Si osserva che, aumentando l’angolo, le energie per cui si ha CAR ed ECT intra-valley si allargano, e le probabilità di scattering aumentano. Tuttavia, lo scattering intra-valley rimane sempre molto più forte di quello inter-valley.

Infine, abbiamo esaminato le conduttanze locali e non-locali. La conduttanza non-locale, che è una misura diretta dell’efficienza della CAR (o dell’ECT), mostra chiaramente che per gli elettroni K’ incidenti si ottiene una CAR quasi ideale in un certo intervallo di energia, mentre per gli elettroni K si ha ECT.

Verso Splitter di Coppie di Cooper più Efficienti

Cosa significa tutto questo in soldoni? Significa che abbiamo proposto un meccanismo nuovo e promettente per ottenere una riflessione di Andreev incrociata dominante e dipendente dalla valley. Sfruttando il potenziale “staggered” per sopprimere la LAR e l’effetto di filtro di valley dell’LDGSL per inibire l’ECT per una specifica valley, possiamo “forzare” gli elettroni K’ a subire prevalentemente CAR intra-valley.

Questi risultati sono un contributo importante per comprendere i fenomeni di trasporto elettronico in giunzioni basate su difetti e, soprattutto, aprono la strada alla progettazione di splitter di coppie di Cooper flessibili e ad alta efficienza basati sul grado di libertà di valley. Immaginate dispositivi in cui possiamo iniettare elettroni da una certa “valley” e sapere con alta probabilità che verranno separati in coppie entangled. Sarebbe un passo da gigante per l’informatica e la comunicazione quantistica!

Il cammino è ancora lungo, e passare dalla teoria all’esperimento presenta sempre le sue sfide, ma studi come questo ci forniscono la mappa e gli strumenti per esplorare territori quantistici sempre più affascinanti. E io, da inguaribile curioso, non vedo l’ora di scoprire cosa ci riserverà il futuro del grafene e delle sue incredibili proprietà!

Fonte: Springer