Поворотный момент: как твистроника меняет свойства материалов

Ученые поняли, что достаточно слегка повернуть слои графена или другого двумерного материала — и проводник может превратиться в сверхпроводник, изолятор или даже квантовый магнит. На стыке нанотехнологий и квантовой физики родилось новое направление — твистроника.

Представьте стопку кальки с одинаковым рисунком. Если немного сдвинуть верхние листы, рисунок изменится. Примерно то же происходит со стопкой двумерных материалов, только угол между их слоями влияет на физические характеристики. Изучением этих эффектов занимается твистроника. Термин впервые употребили ученые Гарвардского университета, исследовавшие сверхрешетки графена — структуры, в которых два почти одинаковых слоя накладываются с небольшим смещением, формируя муаровый узор.

Магический угол графена

Первый громкий успех твистроники связан с графеном. В 2018 году группа ученых Массачусетского технологического института показала, как меняются электронные свойства, если один лист графена повернуть относительно другого на так называемый магический угол — 1,1 градуса. При низкой температуре скрученный двуслойный графен становится сверхпроводником, при небольшом изменении концентрации электронов за счет внешнего магнитного поля — коррелированным изолятором. Дальнейшие исследования подтвердили: сверхпроводимость в таких структурах обусловлена сильными взаимодействиями электронов, а не колебаниями кристаллической решетки, как в классических сверхпроводниках.

Сегодня твистроника выходит за пределы лабораторий. Например, российские физики и инженеры создали серийные бесконтактные промышленные датчики тока, которые можно интегрировать и в бытовые электросчетчики, и в автомобили. Над датчиками работали специалисты Научно-производственного центра «Перспективные технологии и материалы» совместно с компанией «Русграфен», Московским физико-техническим институтом и Институтом проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН. Стопка листов графена, каждый из которых повернут относительно соседних на 15–20 градусов, обеспечивает сверхвысокую подвижность зарядов при комнатной температуре и позволяет наблюдать эффект Холла — появление поперечного напряжения в проводнике в магнитном поле. Благодаря этому ток можно измерять бесконтактно, а датчики получаются миниатюрными — всего несколько миллиметров.

Свет, звук и кристаллы

Твистроника уже охватила множество двумерных полупроводников и оксидных мембран, в которых поворот слоев активирует новые электронные, магнитные и оптические эффекты. Концепцию скручивания используют и в фотонике: управляя геометрией слоев в нанофотонных системах, исследователи меняют характер распространения, отражения и задержки света.

Чтобы дело не ограничивалось единичными экспериментами, требовался инструмент для прицельного и автоматического скручивания слоев. Устройство, способное задавать угол с высочайшей точностью и удерживать его, создали в 2024 году ученые Гарвардского университета и Калифорнийского университета в Беркли.

Возможно, когда-нибудь ученые разберутся, как один и тот же материал переключать между режимами изолятора, проводника и сверхпроводника. Это актуально, допустим, для интеркристаллов, которые приобретают особые свойства за счет контролируемого поворота и совмещения разных кристаллических решеток. Исследования показывают, что поворот позволяет управлять не только двумерными, но и объемными свойствами.

Твистроника постепенно проникает в оптоэлектронику. Исследователи уверены, что, правильно повернув слои двумерных материалов, можно не только эффективнее улавливать свет, но и сразу преобразовывать его в электрический сигнал. Фотодетекторы и фототранзисторы на основе гетероструктур из графена и других двумерных материалов не уступают в эффективности кремниевым. Гибкие и тонкие, они открывают новые возможности для носимой электроники, прозрачных сенсоров и других устройств.

Коллега твистроники — твистеластика. Экспериментаторы скручивают упругие материалы, чтобы управлять распространением звука и вибраций. Так можно усиливать частоты, подавлять помехи, перенаправлять волны. Эти системы предлагается использовать в медицинской ультразвуковой диагностике, чувствительных датчиках и системах виброизоляции.

Справка

Графен — двумерная форма углерода толщиной в один атом. Обладает очень высокой прочностью и электропроводностью.

Муаровый узор появляется, когда две сетки или решетки с одинаковым узором накладывают друг на друга с чуть отличающимся шагом или под углом. Муаровый узор используют, например, для защиты банкнот от подделок.

Оптоэлектроника — раздел электроники, который занимается изучением и применением устройств и систем, превращающих электрический сигнал в свет и обратно.

Твистроника — раздел физики твердого тела, изучающий влияние угла поворота между слоями двумерных материалов на их электронные, оптические и магнитные свойства.