Твистроника

Муаровый узор на атомном масштабе создается путем наложения двух повёрнутых относительно друг друга двух листов графена, формируя гексагональную решетку с большим периодом.

Твистроника (от англ. twist “скручивать, скручивание, поворот" и англ. electronics "электроника") — раздел физики твёрдого тела, в котором исследуется вопрос влияния угла поворота (скручивания) между слоями двумерных материалов на их физические свойства[1][2]. Экспериментально и теоретически было показано, что такие материалы, как двухслойный графен, имеют совершенно разное электронное поведение, в диапазоне от непроводящего до сверхпроводящего, зависящее от угла разориентации между слоями[3][4]. Термин впервые появился в работах исследовательской группы Эфтимиоса Каксираса из Гарвардского университета при теоретическом рассмотрении сверхрешёток графена[1][5].

История

[править | править код]

В 2007 году физик из Национального университета Сингапура Антонио Кастро Нето[англ.] выдвинул гипотезу о том, что прижатие двух смещённых друг относительно друга листов графена может привести к возникновению новых электрических свойств, и отдельно предположил, что графен может открыть путь к сверхпроводимости, но не рассмотрел эти две идеи совместно[4]. В 2010 году исследователи из Технического университета имени Федерико Санта-Мария в Чили обнаружили, что при определённом угле, близком к 1 градусу, вместо линейного закона дисперсии для электронной структуры скрученного двухслойного графена возникает состояние с нулевой скоростью Ферми, то есть зона становится полностью плоской[6]. Исходя из этого, они предположили, что в системе могут возникать коллективные эффекты. В 2011 году Аллан Макдональд[англ.] и Рафи Бистрицер[англ.], используя простую теоретическую модель, обнаружили, что для ранее найденного «магического угла» количество энергии, которое потребуется свободному электрону для туннелирования между двумя листами графена, радикально меняется[7]. В 2017 году исследовательская группа Эфтимиоса Каксираса из Гарвардского университета использовала подробные квантово-механические расчёты, чтобы уточнить значение угла поворота между двумя слоями графена, который может вызвать необычное поведение электронов в этой двумерной системе[1]. В 2018 году группа Пабло Харильо-Эрреро, профессора Массачусетского технологического института, обнаружила, что магический угол привёл к необычным электрическим свойствам, предсказанным учеными из Техасского университета в Остине[8]. При вращении на 1,1 градуса при достаточно низких температурах электроны переходят из одного слоя в другой, создавая решётку, и демонстрируют сверхпроводимость[9].

Публикация этих открытий привела к появлению множества теоретических работ, направленных на понимание и объяснение этого явления[10], а также к многочисленным экспериментам[3] с использованием разного количества слоёв, углов поворота слоёв относительно друг друга и различных материалов[4][11].

Характеристики

[править | править код]
Анимация для муарова узора. Здесь показаны две наложенных друг на друга решётки, одна из которых поворачивается в общей сложности на 90 градусов. Изменение угла поворота меняется периодичность.

Сверхпроводник и изолятор

[править | править код]

Теоретические предсказания сверхпроводимости были подтверждены группой Пабло Харильо-Эрреро из Массачусетского технологического института и коллегами из Гарвардского университета и Национального института материаловедения в Цукубе (Япония). В 2018 году они подтвердили, что сверхпроводимость существует в двухслойном графене, где один слой повернут на угол 1,1° относительно другого, образуя муаровый узор, при температуре 1,7 К[2][12][13]. В магнитном поле сверхпроводящее состояние при некоторых концентрациях переходило в диэлектрическое.

Ещё одним достижением в твистронике является открытие метода включения и выключения сверхпроводящих путей с помощью небольшого перепада напряжения[14].

Гетероструктуры

[править | править код]

Также были проведены эксперименты с использованием комбинаций слоёв графена с другими материалами, которые образуют гетероструктуры в виде атомарно тонких листов, удерживаемых вместе слабой силой Ван-дер-Ваальса[15]. Например, исследование, опубликованное в журнале Science в июле 2019 года, показало, что с добавлением решётки нитрида бора между двумя листами графена, под углом 1,17° возникали уникальные орбитальные ферромагнитные эффекты, которые можно было использовать для реализации памяти в квантовых компьютерах[16]. Дальнейшие спектроскопические исследования скрученного под магическим углом двухслойного графена показали сильные электрон-электронные корреляции[17].

Электронные лужи

[править | править код]

Исследователи из Северо-Восточного университета в Бостоне обнаружили, что при определённой степени поворота между двумя двумерными элементарными слоями селенида и дихалькогенида висмута возникает слой, состоящий только из электронов[18]. Квантовые и физические эффекты выравнивания между двумя слоями, по-видимому, создают области с «лужами», которые захватывают электроны в стабильную решётку. Поскольку эта стабильная решётка состоит только из электронов, то это первая наблюдаемая неатомная решётка, которая предлагает новые возможности для контроля, измерения и изучения транспорта электронов.

Ферромагнетизм

[править | править код]

Было показано, что трёхслойная конструкция, состоящая из двух слоёв графена с двумерным слоем нитрида бора, обладает сверхпроводящей, диэлектричеcкой и ферромагнитной фазами[19].

Твистроника для фотонов

[править | править код]

Идеи твистроники в последние годы находят всё более широкое применение для управления распространением света в системах нанофотоники[20][21]. Ряд работ непосредственно вдохновлён исследованиями электронных свойств слоистых структур и по аналогии рассматривает оптические свойства систем из повёрнутых друг относительно друга двумерных материалов. Муаровые сверхрешётки могут использоваться, например, в качестве фотонного кристалла для плазмон-поляритонов в графене[22], для управления свойствами экситонов в системах на основе полупроводниковых материалов (двумерных дихалькогенидов переходных металлов)[23], для управления дисперсией поверхностных поляритонов, что позволяет достигать при некотором «магическом» угле режима каналирования электромагнитных волн[24][25], для реализации лазерной генерации в фотонной граферноподобной структуре[26]. К твистронике также примыкает изучение уложенных друг на друга и повёрнутых на некоторый угол метаповерхностей для реализации хирального или бианизотропного отклика[27].

Примечания

[править | править код]
  1. ↑ 1 2 3 Carr, Stephen (2017-02-17). "Twistronics: Manipulating the Electronic Properties of Two-dimensional Layered Structures through their Twist Angle". Physical Review B. 95 (7): 075420. arXiv:1611.00649. doi:10.1103/PhysRevB.95.075420. ISSN 2469-9950.
  2. ↑ 1 2 Jarillo-Herrero, Pablo (2018-03-06). "Magic-angle graphene superlattices: a new platform for unconventional superconductivity". Nature (англ.). 556 (7699): 43—50. arXiv:1803.02342. doi:10.1038/nature26160. PMID 29512651.
  3. ↑ 1 2 Gibney, Elizabeth (2019-01-02). "How 'magic angle' graphene is stirring up physics". Nature (англ.). 565 (7737): 15—18. Bibcode:2019Natur.565...15G. doi:10.1038/d41586-018-07848-2. PMID 30602751.
  4. ↑ 1 2 3 Freedman, David H. (2019-04-30). "How Twisted Graphene Became the Big Thing in Physics". Quanta Magazine. Архивировано 27 августа 2019. Дата обращения: 5 мая 2019.
  5. ↑ Tritsaris, Georgios A.; Carr, Stephen; Zhu, Ziyan; Xie, Yiqi; Torrisi, Steven B.; Tang, Jing; Mattheakis, Marios; Larson, Daniel; Kaxiras, Efthimios (2020-01-30). "Electronic structure calculations of twisted multi-layer graphene superlattices". arXiv:2001.11633 [cond-mat.mes-hall].doi:10.1088/2053-1583/ab8f62
  6. ↑ Suárez Morell, E. (2010-09-13). "Flat bands in slightly twisted bilayer graphene: Tight-binding calculations". Physical Review B (англ.). 82 (12): 121407. doi:10.1103/PhysRevB.82.121407. ISSN 1098-0121.
  7. ↑ Bistritzer, Rafi (26 July 2011). "Moiré bands in twisted double-layer graphene". Proceedings of the National Academy of Sciences (англ.). 108 (30): 12233—12237. doi:10.1073/pnas.1108174108.
  8. ↑ Cao, Yuan (5 March 2018). "Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices". Nature (англ.). 556: 43—50. arXiv:1803.02342. doi:10.1038/nature26160.
  9. ↑ "New twist on graphene gets materials scientists hot under the collar". New York Times. 2019-10-30. Архивировано 14 сентября 2020. Дата обращения: 29 сентября 2020.
  10. ↑ Freedman. What's the Magic Behind Graphene's 'Magic' Angle? Quanta Magazine (28 мая 2019). Дата обращения: 28 мая 2019. Архивировано 8 ноября 2020 года.
  11. ↑ Experiments explore the mysteries of 'magic' angle superconductors (амер. англ.). phys.org (31 июля 2019). Дата обращения: 31 июля 2019. Архивировано 7 ноября 2020 года.
  12. ↑ Cao, Yuan (2018-04-01). "Correlated insulator behaviour at half-filling in magic-angle graphene superlattices". Nature. 556 (7699): 80—84. arXiv:1802.00553. Bibcode:2018Natur.556...80C. doi:10.1038/nature26154. ISSN 0028-0836. PMID 29512654.
  13. ↑ Wang. Graphene superlattices could be used for superconducting transistors (англ.). NextBigFuture.com (7 марта 2018). Дата обращения: 3 мая 2019. Архивировано 9 ноября 2020 года.
  14. ↑ Twisted physics: Magic angle graphene produces switchable patterns of superconductivity (англ.). phys.org (30 октября 2019). Дата обращения: 6 февраля 2020. Архивировано 14 ноября 2020 года.
  15. ↑ University of Sheffield. 1 + 1 does not equal 2 for graphene-like 2-D materials (англ.). phys.org (6 марта 2019). Дата обращения: 1 августа 2019. Архивировано 9 ноября 2020 года.
  16. ↑ Than. Physicists discover new quantum trick for graphene: magnetism (англ.). phys.org (26 июля 2019). Дата обращения: 27 июля 2019. Архивировано 7 ноября 2020 года.
  17. ↑ Scheurer, Mathias S. (2019-07-31). "Spectroscopy of graphene with a magic twist". Nature. 572 (7767): 40—41. Bibcode:2019Natur.572...40S. doi:10.1038/d41586-019-02285-1.
  18. ↑ Physicists may have accidentally discovered a new state of matter (англ.). phys.org. Дата обращения: 27 февраля 2020. Архивировано 10 ноября 2020 года.
  19. ↑ A talented 2-D material gets a new gig (англ.). phys.org. Дата обращения: 4 марта 2020. Архивировано 10 декабря 2020 года.
  20. ↑ Hu G., Qiu C.-W., Alù A. Twistronics for photons: opinion // Optical Materials Express. — 2021. — Vol. 11. — P. 1377-1382. — doi:10.1364/OME.423521.
  21. ↑ Du L. et al. Moiré photonics and optoelectronics // Science. — 2023. — Vol. 379. — P. eadg0014. — doi:10.1126/science.adg0014.
  22. ↑ Sunku S.S. et al. Photonic crystals for nano-light in moiré graphene superlattices // Science. — 2018. — Vol. 362. — P. 1153-1156. — doi:10.1126/science.aau5144.
  23. ↑ Yu H. et al. Moiré excitons: From programmable quantum emitter arrays to spin-orbit–coupled artificial lattices // Science Advances. — 2017. — Vol. 3. — P. e1701696. — doi:10.1126/sciadv.1701696.
  24. ↑ Hu G., Krasnok A., Mazor Y., Qiu C.-W., Alù A. Moiré Hyperbolic Metasurfaces // Nano Letters. — 2020. — Vol. 20. — P. 3217–3224. — doi:10.1021/acs.nanolett.9b05319.
  25. ↑ Hu G. et al. Topological polaritons and photonic magic angles in twisted α-MoO3 bilayers // Nature. — 2020. — Vol. 582. — P. 209–213. — doi:10.1038/s41586-020-2359-9.
  26. ↑ Mao X.R. et al. Magic-angle lasers in nanostructured moiré superlattice // Nature Nanotechnology. — 2021. — Vol. 16. — P. 1099–1105. — doi:10.1038/s41565-021-00956-7.
  27. ↑ Hu G. et al. Tailoring Light with Layered and Moiré Metasurfaces // Trends in Chemistry. — 2021. — Vol. 3. — P. 342-358. — doi:10.1016/j.trechm.2021.02.004.

Ссылки

[править | править код]