Твистовые материалы — известные как муаровые структуры — произвели революцию в современной физике
Муаровые структуры создаются путём простого геометрического преобразования двух атомно тонких листов одного и того же или разных материалов, уложенных друг на друга и повёрнутых один относительно другого. Термин «муаровый» может показаться знакомым — он описывает странные волнообразные узоры, которые иногда можно увидеть при фотографировании полосатых рубашек или экранов. В физике тот же принцип применяется на атомном уровне.
Представьте себе два атомно тонких листа одного и того же или разных материалов, уложенных друг на друга и повёрнутых один относительно другого. Удивительно, но этот простой поворот фундаментально трансформирует полученный материал, позволяя ему проявлять экзотические свойства, сильно отличающиеся от свойств отдельных слоёв. Тщательно контролируя угол поворота, физики могут создавать совершенно новые квантовые состояния, открывая двери, ранее закрытые для экспериментальной науки.
Перспективы муаровых структур
Эти муаровые структуры обещают будущее, богатое фундаментальной наукой и технологическими приложениями, от квантовых симуляторов — специализированных систем, которые помогают учёным изучать сложные квантовые явления, до сверхчувствительных терагерцовых датчиков и однофотонных детекторов.
Когда два слоя повёрнуты, электроны из каждого слоя сильно интерферируют, изменяя их объединённый квантовый ландшафт. Поразительным примером этого эффекта является скрученный бислой графена, где сверхпроводимость — состояние, при котором электроны текут без сопротивления — неожиданно возникает, даже несмотря на то, что отдельные слои графена не могут стать сверхпроводящими.
Новые горизонты в квантовом моделировании
В новом исследовании, опубликованном в Nature, группа международных исследователей представляет совершенно новую парадигму скручивания, основанную на точке M электронного импульса, значительно расширяя муаровый ландшафт.
«До сих пор всё скручивание происходило вокруг K-точек, ограничивая нас небольшим уголком материальной вселенной», — объясняет Думитру Кэлугэр (доктор философии, 2024, Принстон), научный сотрудник Leverhulme-Peierls в Оксфордском университете. «Сместив наше внимание на M-точки, мы открываем совершенно новый класс скрученных квантовых материалов с совершенно новым квантовым поведением. Положение минимума электронной зоны является ключевым».
Международное сотрудничество
Исследование проводилось группой, в которую входят теоретические физики, вычислительные физики и международная группа учёных-материаловедов и химиков, которые начали синтезировать и расслаивать предложенные материалы.
Команда начала с идентификации сотен материалов-кандидатов, подходящих для этого нового типа скручивания. Эти материалы были систематизированы на основе положения их минимума электронной зоны, критической характеристики, контролирующей результирующие квантовые свойства скрученных слоёв. Из этих материалов были выбраны два (SnSe₂ и ZrS₂) с минимумом зоны в точке M для углублённого текущего исследования.
«В отличие от скручивания в K-точках, где муаровые зоны обычно демонстрируют топологические характеристики, мы обнаружили, что скрученные полосы в M-точке топологически тривиальны, но удивительно плоски», — объяснил Хаоюй Ху, постдокторский исследователь в Принстоне. «Однако полосы в M-точке обладают ранее незамеченным типом симметрии, что делает их весьма необычными и иногда даже одномерными. Это коренным образом меняет их квантовое поведение».
Экспериментальная реализация
Благодаря обширным микроскопическим расчётам ab initio — требующим более шести месяцев вычислительных усилий — Йи Цзян и Ханьци Пи (Международный физический центр Доностии) продемонстрировали, что электронные полосы значительно уплощаются при низких углах скручивания около трёх градусов. Уплощение электронных полос эффективно замедляет электроны, усиливая их взаимные взаимодействия и порождая новые квантовые явления.
«Такая локализация означает, что теперь мы можем экспериментально реализовать разнообразные квантовые состояния, потенциально включая квантовые спиновые жидкости», — отметил Цзян.
Квантовые спиновые жидкости
Квантовые спиновые жидкости — неуловимые состояния, которые очаровали физиков, обещают захватывающие приложения, включая возможные пути к высокотемпературной сверхпроводимости. Однако они никогда не были окончательно наблюдаемы экспериментально в объёмных материалах из-за экстремальных трудностей в точном контроле легирования (добавления или удаления электронов) и других важных свойств материалов.
Скрученные материалы, однако, предлагают большую экспериментальную управляемость благодаря своей настраиваемой структуре и возможности электростатического управления — техники, которая позволяет легировать электроны без ухудшения материала, преодолевая многие из этих исторических препятствий.
Команда теоретических предсказаний и детальных электронных моделей представляет собой важный шаг к наблюдению этих состояний в реалистичных материалах. Другие идентифицированные фазы материи, такие как однонаправленные спиновые жидкости и ортонормированные фазы валентных связей димеров, являются совершенно новыми и уникальными для системы M-точек.
Тем не менее это исследование выходит за рамки теории. Сотрудники в области химии квантовых материалов — Лесли Шооп (Принстонский университет) и Клаудия Фельзер (Институт Макса Планка, Дрезден) — уже успешно синтезировали объёмные кристаллы нескольких предсказанных материалов-кандидатов, обеспечив решающий первый шаг к практической реализации.
Мировые лидеры в области двумерных материалов — включая Дмитрия Ефетова (Людвиг-Максимилиановский университет Мюнхена), Цзе Шаня и Кин Фай Мака (оба из Корнельского университета) — затем расслаивают эти объёмные кристаллы на однослойные листы, чтобы продемонстрировать экспериментальную осуществимость предложенной платформы.
«Экспериментальная реализация этих материалов имеет решающее значение. Как только они будут скручены, легированы и измерены, эти новые квантовые состояния могут стать осязаемой реальностью», — сказал Б. Андрей Берневиг, профессор физики в Принстонском университете. «Каждый новый поворот, который мы выполняем, кажется, приносит сюрпризы. По сути, эти материалы предлагают нам доступ к квантовым состояниям материи, которые никто не мог себе представить. Поскольку они настолько экспериментально управляемы, возможности поистине безграничны».
Предоставлено
Принстонский университет