межслоевая связь

Стопка страниц, которую листали много раз, запоминает это: одни листы ложатся ровно, другие топорщатся, а кое-где остаются заломы. Примерно так ведут себя слоистые материалы, когда в них входят ионы. В новой работе учёные наблюдали за отдельными чешуйками MXene — двумерного карбида титана — и увидели, как история циклов зарядки и разрядки меняет их структуру.

Дверной замок с двумя разными ключами: один проворачивается легко, другой требует заметного усилия. Так ведут себя два слоя гексагонального нитрида бора, когда их поворачивают друг относительно друга. Этот материал состоит из атомов бора и азота, уложенных в шестиугольную сетку, и его слои могут лежать в разных положениях, как две одинаковые решётки, сдвинутые на разный угол.

Колода карт, в которой каждая карта слегка повёрнута, не может лечь ровно: рубашки и рисунки никак не совпадут. Но если карты гибкие, они начнут подстраиваться, сдвигаясь на доли миллиметра, чтобы найти идеальное совпадение. Нечто похожее происходит внутри кристаллов, когда два толстых слоя MoS2 или MoS2 с WS2 складывают с поворотом на 1–2 градуса.

Три голоса, сливающиеся в один аккорд. В физике квантовых материалов этот образ обретает буквальный смысл: три слоя графена, разделённые тонкими прокладками, заставляют электроны и дырки из разных слоёв двигаться как единая жидкость. Экситонный конденсат — состояние, в котором пары электрон-дырка текут без сопротивления, — раньше наблюдали только в двухслойных системах.

Представьте дом с пробковыми стенами, который с наступлением морозов вдруг покрывается медными листами. Примерно так ведёт себя соединение FeSb₂, когда из него формируют плёнку толщиной всего в несколько атомных слоёв. В обычных условиях это узкозонный изолятор: электроны в нём локализованы, словно зрители в переполненном зале, не способные свободно перемещаться.

Лист бумаги с магнитными свойствами — примерно так устроен новый материал 1T-CrS₂. Его слои скреплены слабыми силами, как страницы блокнота, но каждый слой — настоящий магнит. Причём магнит жёсткий: он сохраняет намагниченность поперёк слоёв и не теряет её даже при нагреве выше комнатной температуры. Вырастить такие кристаллы долго не удавалось.

Две верёвки, склеенные по длине, сами собой свиваются в двойную спираль. Так устроена ДНК — только роль клея играют водородные связи между основаниями, а жёсткость задают сами цепочки.

Книга открыта на середине. По корешку бежит ток, а страницы остаются холодными. Примерно так устроен двумерный топологический изолятор — материал, где электричество течёт только по краям, а внутренность неподвижна.

Графен — двумерный кристалл углерода — долгое время манил физиков надеждой на высокотемпературную сверхпроводимость. Его электроны подчиняются релятивистскому уравнению Поля Дирака, несутся с огромной скоростью, почти не замечая друг друга.

Тонкая плёнка дисульфида молибдена — толщиной менее микрона — работает как миниатюрная фабрика фотонных пар, встроенная прямо в разъём оптоволокна. Обычное оптоволокно — это не просто стеклянная нить для интернета.

Вязание крючком, где вместо ниток — отдельные молекулы, а вместо крючка — поверхность золота. До сих пор попытки связать из таких молекул ровное полотно заканчивались путаницей: нити цеплялись не там, где нужно, и узор сбивался. Группа учёных нашла способ решить эту проблему.

Слоёный пирог из атомных плоскостей никеля и кислорода — так устроены двуслойные никелаты. В них две такие плоскости разделены прослойкой. Если в этой прослойке сидит атом кислорода, он работает как мостик: связывает слои и запускает состояние, в котором электроны движутся без сопротивления.

Лист теллурида вольфрама толщиной в один атом напоминает тонкую фольгу: сквозь неё электроны не проходят, потому что между их возможными состояниями лежит запрещённая зона — как ров, который нельзя перепрыгнуть. Добавили ещё два слоя — и ров исчез, материал стал металлом, ток пошёл. А когда слоёв стало больше, свойства снова изменились, будто кто-то переключает режимы одной кнопкой.

Лист бумаги почти ничего не весит, но если сложить сто листов в стопку, получится уже ощутимая пачка. Примерно так же поступили с материалом, который отлично умеет превращать один цвет света в другой, но только пока он толщиной в один атом. Один слой — как один лист: работает красиво, но слишком тонко, чтобы дать много света.

Турбулентный поток у стенки похож на толпу, где каждый толкается в свою сторону. Вихри возникают и распадаются, создавая хаотичные толчки. Если в стену встроить звуковую подложку с дефектом — как камертон, который звенит только на одной ноте, — она начинает откликаться лишь на узкий диапазон частот.

Трение расчёски о шерсть рождает искру. Похожий принцип работает в трибоэлектрических наногенераторах — устройствах, которые превращают механические прикосновения в электричество. Проблема в том, что обычные материалы дают слабый заряд.

Два листа графена — углеродной плёнки толщиной в один атом — без поворота напоминают забитую мелями гавань: ионы лития либо садятся на мель, либо проносятся мимо без задержки. Но поворот одного слоя относительно другого на 9,43° прокладывает идеальный фарватер. Корабли-ионы надёжно швартуются к углеродным «пирсам» и тут же отчаливают, не сбавляя хода.

Лист графена толщиной в один атом — как гибкая металлическая сетка, по которой электроны носятся почти без препятствий. Сложите два таких листа с небольшим сдвигом, и свойства материала резко меняются: он может стать изолятором, не пропускающим ток.

Сверхпроводящие схемы часто строят на переходах Джозефсона — местах, где ток течёт без сопротивления через тонкий барьер. Обычно таким барьером служит слой оксида, но его свойства трудно контролировать на наноуровне. В новой работе барьером становится тонкий слой нитрида ниобия или титана, зажатый между слоями ниобия.

При температурах вблизи абсолютного нуля некоторые материалы переходят в состояние сверхпроводимости: электрический ток течёт без потерь энергии. Ключевая характеристика здесь — критическая температура, выше которой сверхпроводимость исчезает.

Слой клеток, выстилающий внутренние органы, похож на очередь в переполненном метро: все стоят вплотную, но иногда толпа начинает течь, и люди проскальзывают мимо друг друга. Биологи называют такое поведение переходом от застрявшего, твёрдого состояния к текучему. До сих пор считалось, что ключ к этому — форма клеток: если клетки становятся более вытянутыми, ткань разжижается.

Охлаждённый слоистый кристалл напоминает стопку тонких листов, между которыми гуляют электроны. При температуре около 17 К в нём появляются крошечные области, где электроны выстраиваются в волну — как рябь на поверхности воды, застывшая на месте. Эти области называют зарядовыми лужицами, и раньше считалось, что они неподвижны.

Свет падает на тонкую плёнку — и в ней мгновенно возникает электрический ток. Так работает пара из двух материалов: дисульфида молибдена и кобальта. Первый — полупроводник, второй — магнит. Между ними, как выяснилось, рождается невидимая прослойка-посредник.

Слоистый материал (SnS)1.15(TaS2) напоминает стопку бумаги, где листы проводят ток, а между ними — прослойки, которые мешают слоям слипаться. При обычном давлении этот материал проводит ток без сопротивления, то есть является сверхпроводником.

Обычный кусок полупроводника слабо меняет цвет проходящего света. Физики десятилетиями обходили это ограничение, помещая кристалл в хитрое окружение, но сам материал оставался прежним. Теперь исследователи собрали «бутерброд» из чередующихся тонких слоёв арсенида галлия и арсенида алюминия-галлия.

Магнит, который складывается из слоёв, как стопка блинов, — так устроен материал CrSBr. При низких температурах каждый слой намагничен, но соседние слои смотрят в противоположные стороны, и в сумме их магнитные поля гасят друг друга. Такой порядок называют антиферромагнитным, и он хрупкий: достаточно слегка нагреть материал, и слои размагничиваются.

Кристалл NbSe2 похож на стопку бумаги: слои лежат плотно, и их свойства сливаются. Химики нашли способ раздвинуть эту стопку почти вдвое — между слоями вставили длинные органические молекулы, как прокладки. Теперь каждый слой ведёт себя так, будто он один-одинёшенек, толщиной в один атом.

Внутри мощного транзистора тепло уходит через стыки разных кристаллов, как вода через узкие шлюзы. Для нитридов алюминия и галлия — главных материалов силовой электроники — таким шлюзом часто служит тонкая прослойка их сплава. Её добавляют намеренно или она появляется сама при росте кристалла. Раньше никто не знал, помогает она отводить тепло или мешает.

Оксид ванадия — материал, который может быть то изолятором, не проводящим ток, то проводником, как металл. Переключение занимает триллионные доли секунды, и на этом хотят строить сверхбыстрые электронные устройства. Но как именно это происходит, долго оставалось загадкой.

Электронный заряд — перекати-поле, которое меняет свой лагерь в зависимости от энергии. В кристалле вольфрам-селенида (WSe₂) это видно с предельной ясностью: при напряжении −1.4 В, близком к K-точке зоны Бриллюэна, максимумы туннельного тока оказываются в центрах шестиугольников, где атомов нет. При −1.9 В, ближе к Γ-точке, заряд перебирается на атомы вольфрама. Сдвиг — всего 0.