скрученный бислой графена

Скрипку Страдивари можно сделать только из дерева, которое росло в особых условиях. Долгое время считалось, что и графен для тонких квантовых эффектов должен быть отшелушен скотчем от графита, а выращенный в пробирке кристалл на такое не способен. Эта работа показывает: выращенный из газовой смеси графен зазвучал как скрипка Страдивари.

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.

Скрипку Страдивари можно сделать только из дерева, которое росло в особых условиях. Долгое время считалось, что и графен для тонких квантовых эффектов должен быть отшелушен скотчем от графита, а выращенный в пробирке кристалл на такое не способен. Эта работа показывает: выращенный из газовой смеси графен зазвучал как скрипка Страдивари.

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.

Зеркало мчится со скоростью почти сорок тысяч километров в секунду — это около одной восьмой скорости света. Свет, упавший на него, отскакивает обратно, но уже другим: его частота увеличивается, как мяч, отбитый ракеткой на лету, приобретает дополнительную энергию. Именно такое зеркало учёные построили внутри тончайшей стеклянной нити, заполненной водородом.

В узком коридоре люди идут не толпой, а рядами. Число рядов зависит от ширины прохода. В графене роль такого коридора играет квантовый точечный контакт — перетяжка, где электроны движутся баллистически, не рассеиваясь.

Водопроводная труба: чем она шире, тем больше воды проходит. В сверхпроводящих контактах — джозефсоновских переходах (мостиках, по которым ток течёт без сопротивления) — обычно так же: чем лучше материал проводит в обычном состоянии, тем больший сверхпроводящий ток через него течёт.

В тонких слоях кристалла селенида тантала (TaSe₂) обнаружено свойство, бросающее вызов привычной физике. Когда между слоями этого материала внедрили атомы-гости, структура потеряла центр инверсионной симметрии — и внутри возникла сверхпроводимость с необычной защитой.

Обычно свет не превращает изолятор в проводник — для этого требуются мощные лазерные импульсы, разрушающие структуру материала. Но в скрученном под магическим углом двуслойном графене — материале из двух слоёв углеродной решётки, повёрнутых друг относительно друга на особый угол, — всё иначе.

Тонкий бутерброд из двух разных материалов. Через него пропускают электрический ток — и верхний кусочек намагничивается в одну сторону, а нижний в противоположную. Это не фокус, а слоевой эффект Эдельштейна (от английского layer Edelstein effect), который только что описали физики.

Два листа селенида вольфрама — не углеродные, а из соединения вольфрама с селеном — поворачивают друг относительно друга на крошечный угол, около 5 градусов. Возникает муаровая картина: увеличенная периодическая решётка, где электроны ведут себя совсем иначе, чем в обычном кристалле. Недавно в таких скрученных слоях нашли сверхпроводимость.

В мире двумерных материалов порой рождаются состояния столь же необычные, как и хрупкие. Одно из них — дробный аномальный холловский кристалл (FAHC) — словно квантовый кентавр: наполовину упорядоченная решётка, наполовину топологическая жидкость.

Переключатель, который сам знает, куда течь. Так работает джозефсоновский диод — сверхпроводящий мостик, где ток в одну сторону идёт охотно, а в другую — упирается. В новой работе такой мостик сделали из графена — листа углерода толщиной в один атом. Эффект проявился, когда на устройство подали слабое магнитное поле — всего несколько миллитесла.

Представьте сильно перекрученный телефонный шнур: в какой-то момент он лопается, разбрасывая искры. Похожим образом ведут себя магнитные поля на Солнце — они скручиваются, разрываются и пересоединяются, высвобождая энергию, которая питает солнечные вспышки. Астрономам впервые удалось наблюдать этот процесс напрямую.

Два тончайших листа, каждый — всего в один атом толщиной, кладут друг на друга и слегка поворачивают. Как два листа цветной кальки: пока они лежат ровно, картинка одна, а стоит повернуть — появляется муаровый узор. Здесь, правда, узор не виден глазу, зато он полностью меняет то, как материал обращается со светом.

Выложите пол одинаковыми треугольниками — получится скучный повторяющийся узор. А если хочется, чтобы рисунок никогда не повторялся, но плитка была всего одна? Долгое время математики были уверены: так не бывает. Нужны хотя бы две разные фигуры. Знаменитая мозаика Пенроуза — как раз такой случай: ромбы с острыми и тупыми углами складываются в бесконечно разнообразный, но строго упорядоченный узор.

Два тонких, как бумага, листа полупроводника накладывают друг на друга и слегка поворачивают — градуса на три-четыре. Атомные решётки не совпадают, и возникает крупный узор — муар, похожий на рябь от двух стиральных досок, сдвинутых на малый угол. В этом узоре электроны движутся совсем не так, как в обычном кристалле.

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.

Слои тонкого материала, повёрнутые друг относительно друга, напоминают наложенные друг на друга сетки. В местах пересечения линий возникает новый узор — муар. В этом узоре электроны движутся иначе, чем в обычном кристалле, и могут образовывать неожиданные состояния. В новой работе исследователи взяли два слоя теллурида молибдена и повернули их на 4,8 градуса.

Лист графена — это сетка из атомов углерода толщиной в один атом. Если сложить несколько таких листов с особым сдвигом, получится материал с необычными свойствами: он может быть магнитом или сверхпроводником в зависимости от того, как на него подействовать.

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.

Графен — это углеродная плёнка толщиной ровно в один атом. Два таких листа, положенных друг на друга с небольшим поворотом, ведут себя совсем иначе, чем одиночный лист. При угле около 1,1 градуса электроны в них замедляются так сильно, что материал может стать сверхпроводником или изолятором — в зависимости от условий. Такой угол называют «магическим».

Сверхпроводимость похожа на танец электронов: они движутся парами, не теряя энергии. В обычных сверхпроводниках этот танец задаётся скоростью электронов.

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.

Лист графена — это сетка из атомов углерода толщиной в один атом. На нём видны малейшие загрязнения, как пылинки на стекле очков. Десять лет назад графен научились прятать между слоями нитрида бора — это как положить хрупкий лист между двумя кусками пищевой плёнки.

Лист графена — углеродная сетка толщиной в один атом — под лучом мощного лазера ведёт себя как дорога, на которой вдруг появляется шлагбаум. Электроны, свободно бежавшие по материалу, натыкаются на запрещённую зону: промежуток энергий, который им не перепрыгнуть. Раньше такое предсказывали в теории, но увидеть своими глазами не удавалось.

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.

Плетёная корзина из ивовых прутьев держит форму за счёт переплетения. Похожий узор — треугольники, сцепленные в плоскую сетку — обнаружили в новом кристалле с формулой Cs₃V₉Te₁₃. Здесь атомы ванадия образуют два набора треугольников, которые пронизывают друг друга, как нити в ткани. Этот узор не просто красив: он заставляет электроны двигаться по особым «плоским» энергетическим дорожкам.

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.

Лист графена толщиной в один атом скручивают под небольшим углом, и он начинает вести себя как слоёный пирог, где слои слегка повёрнуты друг относительно друга. При определённом угле поворота этот материал становится сверхпроводником: электроны начинают двигаться парами, как танцоры в вальсе, не теряя энергии. Но что именно происходит внутри, до сих пор оставалось загадкой.

Кристалл висмут-селен (Bi₂Se₃) сам по себе симметричен, как аккуратно сложенный бутерброд: переверни — и ничего не изменится. Но стоит слегка повернуть один слой относительно другого — и симметрия ломается. Материал начинает «чувствовать», с какой стороны падает свет, и отзывается электрическим током.

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.

Лист графена толщиной в один атом — как идеально ровная скатерть, по которой катятся электронные шарики. Поставьте на пути этих шариков электрический барьер — и обычно они отскочат назад. Но в графене всё иначе: при некоторых условиях электроны проходят сквозь барьер, даже не заметив его, словно стена из тумана.

Два слоя магнитного материала, повёрнутые друг относительно друга на доли градуса, — как две слегка сдвинутые решётки на окне. В обычном состоянии они не создают ничего особенного, но при определённом угле поворота в материале возникает неожиданный эффект.

Двумерный висмут на кремниевой подложке — перспективный материал для электроники будущего. Его края проводят ток без потерь, как скоростная магистраль без светофоров. Но сам висмут нежный: воздух и влага быстро портят его свойства. Химики нашли выход: они поместили висмут под слой графена — прочной углеродной плёнки толщиной в один атом.

Лазерная вспышка бьёт по слою серебра толщиной в один атом, лежащему на двухслойном графене, — и за квадриллионные доли секунды в электронной структуре графена открывается щель, которой там раньше не было. Это как если бы обычный провод на мгновение стал полупроводником: электроны перестают свободно течь, появляется запрещённая зона.

В скрученных под определённым углом слоях теллурида молибдена электроны ведут себя необычно: они могут делиться на части. Это похоже на то, как если бы целый пирог вдруг начали резать на строго одинаковые дольки, хотя нож в руках один. В обычных материалах заряд электрона неделим, но в этих слоях при сильном охлаждении появляются состояния, где заряд дробится на три части.

Сверхпроводник — это материал, где электрический ток течёт без потерь, как вода по идеально гладкой трубе. Но если в нём возникают вихри, ток начинает «спотыкаться» об эти крошечные завихрения. В графене, скрученном под особым углом, такие вихри можно создавать и изучать по одному. Учёные собрали устройство, похожее на узкий мостик между двумя сверхпроводящими берегами.

Колокол гудит не одной нотой — после удара в нём звучат сразу несколько гармоник. Примерно так же вибрирует атомное ядро: после столкновения оно может колебаться, и эти колебания видны по испускаемым гамма-лучам. Но у ядра ниобия-104, где 41 протон и 63 нейтрона, гармоник оказалось больше, чем ожидали.