Что, если не менять состав материала, не легировать его, не охлаждать до экзотических температур, а просто повернуть? Именно этот вопрос задали себе исследователи MIT в 2018 году. Ответ перевернул физику твёрдого тела.
Поворот как управляющий параметр
Графен — углеродная плёнка толщиной в один атом — хорошо изучен и сам по себе не удивляет. Но стоит взять два таких листа и развернуть один из них на 1,1 градуса относительно другого, как между слоями возникает периодическая интерференционная картина. Электроны в такой структуре начинают вести себя принципиально иначе — они замедляются, усиливают взаимодействие друг с другом и при низких температурах переходят в сверхпроводящее состояние.
Это открытие дало старт целому научному направлению — твистронике. Её суть: угол поворота между слоями двумерного материала становится таким же управляющим параметром, как температура или давление. Меняя его, можно переключать один и тот же материал между принципиально разными состояниями:
- сверхпроводник — при точном угле 1,1° и охлаждении;
- изолятор — при незначительном изменении плотности электронов;
- квантовый магнит — при иных условиях.
Особенность сверхпроводимости в таких структурах — она возникает не через колебания кристаллической решётки, как в обычных сверхпроводниках, а через прямое взаимодействие электронов. Это теоретически открывает путь к сверхпроводимости при комнатной температуре, одной из главных нерешённых задач прикладной физики.
Российские разработки уже в серии
Пока большинство твистронических экспериментов остаётся в лабораториях, российские инженеры вышли на стадию серийного производства. Команда из НПЦ «Перспективные технологии и материалы», МФТИ, «Русграфена» и Института проблем технологии микроэлектроники РАН создала промышленные датчики тока на основе многослойного графена.
В этих датчиках каждый слой повёрнут относительно соседнего на 15–20 градусов. Такая геометрия обеспечивает высокую подвижность зарядов при обычной комнатной температуре — никакого охлаждения не требуется. Датчик регистрирует ток бесконтактно через поперечное напряжение, возникающее в магнитном поле, занимает несколько миллиметров в поперечнике и подходит как для бытовых счётчиков электроэнергии, так и для автомобильной электроники.
Что дальше
Твистроника давно вышла за рамки графена. Поворот слоёв меняет электронные, оптические и магнитные свойства в десятках других двумерных материалов. В фотонике скручивание нанослоёв позволяет управлять тем, как свет распространяется и задерживается внутри структуры. Гибкие фотодетекторы на основе скрученных гетероструктур не уступают кремниевым аналогам по чувствительности, но весят граммы и сгибаются.
В 2024 году Гарвард и Беркли представили установку для автоматического прецизионного поворота слоёв. Это переводит твистронику из разряда штучных экспериментов в воспроизводимую технологию — первый шаг к промышленному применению.