Ученые «скрутили» материю — и нашли дверь в новое квантовое измерение

Учёные н аучились создавать новые квантовые материалы, просто поворачивая друг относительно друга тончайшие слои веществ. Такие структуры называются моаре — это явление знакомо многим по странным рябящим узорам, которые появляются, если сфотографировать полосатую рубашку или экран. На атомном уровне такой эффект возникает, когда две сверхтонкие плёнки накладывают друг на друга с небольшим углом поворота.

Обычный на первый взгляд приём радикально меняет свойства системы. У физиков появилась возможность получать необычные квантовые состояния, которых не существует в отдельных слоях. Всё зависит от того, под каким углом «скручены» атомные листы — и если подобрать его правильно, можно буквально создавать новые фазы вещества с уникальными свойствами. Именно такие «скрученные» материалы стали новым инструментом для изучения и управления экзотическими состояниями материи.

Самый известный пример — графен . Сам по себе он не обладает сверхпроводимостью , но если наложить два слоя друг на друга с правильным углом, электроны начинают двигаться без сопротивления. Этот и другие эффекты открыли огромные перспективы: учёные надеются получить на основе таких материалов квантовые симуляторы , чувствительные сенсоры и детекторы одиночных фотонов.

До сих пор все исследования были сосредоточены на так называемых K-точках — особых точках в структуре кристаллов, связанных с шестигранной симметрией и характерных для графена и похожих материалов. Однако международная группа учёных опубликовала в журнале Nature работу, в которой впервые сместила фокус на другую область — M-точки. Это открывает принципиально новый класс квантовых структур с совершенно иными свойствами.

Один из авторов исследования, Думитру Кэлугэру из Оксфорда, объясняет: все предыдущие эксперименты ограничивались небольшой частью возможных материалов. Переход к M-точкам открывает целую новую вселенную скрученных квантовых систем. Исследователи перебрали сотни кандидатов и выделили материалы, у которых электронные свойства зависят именно от этой новой области. Для глубокого анализа выбрали SnSe₂ и ZrS₂ — у них минимум энергетической зоны лежит именно в M-точке.

Главная особенность новых материалов в том, что их электронные зоны становятся очень «плоскими», если слои скручены на малый угол — примерно три градуса. Это замедляет движение электронов, усиливает их взаимодействие и позволяет реализовать необычные квантовые эффекты. В некоторых случаях электроны могут группироваться в особые кристаллические узоры — например, шестиугольные или кагоме-решётки, что открывает путь к экспериментальному получению ранее неуловимых квантовых жидкостей спинов .

Такие состояния интересуют физиков уже давно, поскольку они считаются одним из шагов к сверхпроводимости при высоких температурах. До сих пор их не удавалось наблюдать в реальных материалах из-за сложностей с контролем свойств, но новые структуры решают эту проблему за счёт возможности точно управлять «скрученностью» и добавлять или удалять электроны без разрушения вещества.

В исследовании участвовали физики, химики и материаловеды из университетов США, Канады, Великобритании, Германии и Испании. Теоретические расчёты длились более полугода, после чего химики уже синтезировали первые объёмы перспективных соединений, а ведущие мировые лаборатории сейчас получают из них однолистовые плёнки.

Авторы подчеркивают, что экспериментальная реализация этих материалов станет критическим шагом к созданию новых квантовых платформ. С каждым новым «скручиванием» появляются неожиданные эффекты, и возможности кажутся практически безграничными. Всё это делает скрученные материалы одним из самых ярких направлений современной физики, которое буквально открывает дверь в мир ещё не открытых состояний материи.