Команда исследователей из Университета Ратгерса создала интеркристаллы, уложив два ультратонких слоя графена — одноатомных плоскостей углерода, выстроенных в виде шестиугольной решетки — друг на друга с небольшим поворотом. Эти слои были размещены на кристалле гексагонального нитрида бора, также имеющего шестиугольную структуру. Небольшое несовпадение решеток создало муаровые узоры — тонкие геометрические интерференции, которые меняют движение электронов в материале. Такое сочетание геометрии и тонкой настройки позволило кардинально изменить электронные свойства без вмешательства в химическую структуру вещества.
Соавтор исследования, профессор Ева Андрей отмечает, что интеркристаллы открывают принципиально новый подход к проектированию материалов. Управление электронными характеристиками в них можно осуществлять исключительно за счет геометрии, без необходимости внесения новых химических компонентов. Это создает предпосылки для разработки транзисторов, сенсоров и других компонентов электроники, в которых функции задаются не компонентами материалов, а их точным размещением на наноуровне.
Основой этого подхода стал метод твистроники — направление, которое возникло в результате экспериментов Андрей и ее коллег еще в 2009 году. Тогда ученые впервые увидели, что муаровые узоры, возникающие при повороте слоев графена, радикально меняют его электронную структуру. С тех пор твистроника активно развивалась и привела к открытию множества необычных квантовых состояний вещества.
Интеркристаллы демонстрируют поведение, которое кардинально отличается от поведения обычных кристаллов. В регулярных кристаллических решетках, благодаря их симметрии движение электронов предсказуемо. Однако интеркристаллы сочетают в себе черты как обычных кристаллов, так и квазикристаллов, открытых в 1980-х и нарушивших традиционные представления о порядке в атомных структурах. Как и квазикристаллы, интеркристаллы не имеют периодической структуры, но при этом сохраняют определенные симметрии, характерные для обычных кристаллов. Это позволяет им демонстрировать особые свойства, в том числе, сверхпроводимость и магнетизм, ранее недоступные традиционным материалам. Дополнительным преимуществом интеркристаллов оказалась их экологичность.
В отличие от современных высокотехнологичных материалов, для создания которых зачастую требуются редкоземельные элементы, интеркристаллы могут быть изготовлены из распространенных, нетоксичных веществ — углерода, бора и азота, благодаря чему, они могут стать основой для более экологичных и масштабируемых технологий будущего.
Исследователи уверены, что их работа — лишь первый шаг на пути к освоению новой материи. Способность управлять поведением электронов за счет геометрии вещества открывает невиданные ранее горизонты в материаловедении. По словам одного из соавторов, профессора Джедидайи Пиксли, это открытие может коренным образом изменить подход к проектированию электронных схем и устройств, в которых каждый компонент будет настраиваться на атомарном уровне. «Это только начало», — подчеркивает он. «За такими материалами будущее».
Ранее ученые обнаружили в перспективном квантовом материале один из самых тонких в мире полупроводниковых переходов, формирующихся естественным образом. Узнайте больше о практическом применении этого феномена.
