Дуэт физиков Аллан Макдональд (Университет Техаса в Остине) и Пабло Харильо-Эрреро (Массачусетский технологический институт, MIT) отмечены премией Frontiers of Knowledge в области фундаментальных наук за открытия, связанные с «магическим углом». Этот угол позволяет трансформировать и контролировать поведение новых материалов. Комитет назвал прозрения исследователей «новаторскими», поскольку они заложили теоретические основы и экспериментально подтвердили новую область, известную как твистронная технология.
В основе прорывного открытия
В своей теоретической модели, опубликованной в 2011 году, канадец Аллан Макдональд предсказал, что, если скрутить два слоя графена под определённым углом, в районе одного градуса, взаимодействие электронов приведёт к появлению новых свойств. Семь лет спустя испанец Пабло Харильо-Эрреро и его команда предоставили экспериментальное подтверждение, изготовив бислои графена, повёрнутые под этим «магическим углом». Это изменило поведение материала, породив новые свойства, такие как сверхпроводимость.
«Их работа открыла новые горизонты в физике, продемонстрировав, что вращение материи под определённым углом позволяет контролировать её поведение, получая свойства, которые могут иметь большое промышленное значение», — объяснила член комитета Мария Хосе Гарсия Борхе, профессор-исследователь в Институте структуры материи (IEM-CSIC).
«Свойства сверхпроводимости, например, могут привести к более устойчивой передаче электроэнергии с практически полным отсутствием потерь энергии», — добавила она.
Новые горизонты в физике материалов
Профессор физики конденсированного состояния в Автономном университете Мадрида и президент Испанского королевского физического общества Луис Вина отметил, что совместные работы Макдональда и Харильо-Эрреро определили новое обширное поле для разработки материалов с востребованными свойствами и задали повестку дня для исследовательских групп по всему миру.
«Макдональд с точки зрения теории, а Харильо-Эрреро через эксперимент стали архитекторами новой передовой технологии для создания неизвестных ранее состояний материи, способных открыть достижения в области сверхпроводимости и создания новых электронных устройств, а также определить будущий путь развития квантовых вычислений», — добавил он.
Исследование свойств графена
Научное увлечение Аллана Макдональда двумерными материалами и их необычными физическими свойствами зародилось во время его пребывания в Институте исследований твёрдого тела Общества Макса Планка, где он работал с Клаусом фон Клитцингом (Нобелевская премия по физике в 1985 году).
Макдональд искал необычные явления в сложенных листах графена и других материалах, образованных сверхтонкими слоями, стремясь проникнуть в новый мир свойств с потенциальными технологическими приложениями.
Экспериментальное подтверждение
Открытие, однако, не имело немедленного влияния, и только спустя годы, когда оно было подтверждено в лаборатории, его истинная важность стала очевидна.
«Сообщество никогда не было бы так заинтересовано в моей теме, если бы не существовало экспериментальной программы, которая реализовала бы эту первоначальную идею», — отмечает Макдональд, называя достижение своего солауреата «почти научной фантастикой».
Пабло Харильо-Эрреро был заинтригован возможными эффектами размещения двух слоёв графена друг на друга с точным угловым выравниванием, поскольку «это была неизведанная территория, недоступная для физики прошлого, и она должна была дать интересные результаты».
В 2018 году Харильо-Эрреро описал в двух статьях в журнале Nature, как графен с «магическим углом» может стать либо изолятором, либо сверхпроводником, и что его поведение можно настраивать с беспрецедентной точностью. Его вклад стал самым цитируемым в году во всех областях знаний.
Потенциал использования графена
Для лауреатов премии влияние этого открытия только началось. «Вращая наложенные друг на друга слои двумерных материалов под разными углами, мы можем реализовать любое возможное поведение материи», — говорит Харильо-Эрреро.
«Не только изоляторы и сверхпроводники, но и магнетизм и множество других сложных явлений». До недавнего времени для наблюдения такого широкого спектра свойств требовались разные элементы из периодической таблицы, но теперь, с графеном, мы можем увидеть их все в одном — углероде. Этот элемент, по его мнению, стал своего рода «обратным философским камнем», где вместо превращения любого материала в золото мы можем заставить графен вести себя как любой другой материал.
Однако для применения этих знаний в промышленности необходимо найти более совершенные способы производства слоёв графена с определённым углом скручивания. Текущий процесс настолько кустарен, что на производство одного устройства уходят недели или даже месяцы.