Стопка бумаги: если листы лежат ровно один на другом, свет сквозь них проходит одинаково. Но стоит повернуть один лист на несколько градусов, и картина меняется. Примерно так же ведут себя слои в некоторых материалах: повернёшь их друг относительно друга — и свойства меняются, иногда радикально.
Спектроскопия тут ни при чём — точнее, это не тот метод. Учёные построили прибор, который назвали квантовым скручивающим микроскопом. Он берёт два слоя материала, например графита, и поворачивает один относительно другого с высокой точностью. Затем измеряет, как легко электрическому току течь между слоями. Оказалось, что при повороте на 21.8 и 38.2 градуса ток идёт заметно лучше. Эти углы не случайны: они соответствуют «удобному» совпадению атомных решёток двух слоёв, как шестерёнки, которые сцепляются только в определённых положениях.
Прибор собрали на базе обычного атомно-силового микроскопа, который есть во многих лабораториях. К нему добавили подвижную платформу, способную вращать образец, и специальную иглу-зонд. Иглу сделали из тонкой проволоки с каплей графита на конце. Когда игла касается поверхности другого слоя графита, между ними возникает электрический контакт, и можно мерить ток. Вращая платформу, учёные меняют угол между слоями и записывают, как меняется ток.
Такой прибор открывает дорогу к изучению множества слоистых материалов, где поворот слоёв влияет на сверхпроводимость, магнетизм и другие удивительные явления. Возможно, в будущем на этой основе появятся новые электронные устройства, которые переключаются простым поворотом.
Если повернуть два слоя графена на «магический угол» около 1.1 градуса, они становятся сверхпроводниками — проводят ток без потерь. Этот эффект открыли в 2018 году, и он породил целую область исследований.
В романе Нила Стивенсона «Алмазный век» упоминаются материалы, свойства которых зависят от точной укладки атомных слоёв — похоже на то, что делает этот микроскоп.