По словам ученых, межкристаллы демонстрируют недавно открытые формы электронных свойств, которые могли бы проложить путь к достижениям в области более эффективных электронных компонентов, квантовых вычислений и экологически чистых материалов.

Как описано в отчете, опубликованном в научном журнале Nature Materials, ученые сложили два ультратонких слоя графена, каждый из которых представляет собой лист атомов углерода толщиной в один атом, расположенных в виде гексагональной сетки. Они слегка скрутили их поверх слоя гексагонального нитрида бора, шестиугольного кристалла, состоящего из бора и азота. Они обнаружили, что незначительное смещение между слоями, которые образовывали муаровые узоры - узоры, подобные тем, которые наблюдаются при наложении двух мелкоячеистых экранов, - значительно изменило движение электронов через материал.

"Наше открытие открывает новый путь для проектирования материалов", - сказала Ева Андрей, профессор кафедры физики и астрономии в Школе искусств и наук Ратгерса и ведущий автор исследования. "Интеркристаллы дают нам новую возможность управлять поведением электроники, используя только геометрию, без необходимости изменять химический состав материала".

По словам исследователей, понимая уникальные свойства электронов в межкристаллах и контролируя их, ученые могут использовать их для разработки таких технологий, как более эффективные транзисторы и датчики, которые ранее требовали более сложного сочетания материалов и обработки.

"Вы можете представить себе проектирование целой электронной схемы, где каждая функция - переключение, считывание, распространение сигнала - контролируется настройкой геометрии на атомном уровне", - сказал Джедедия Пиксли, доцент физики и соавтор исследования. "Межкристаллы могли бы стать строительными блоками таких технологий будущего.

"Открытие основано на развивающейся технике в современной физике под названием "твистроника", при которой слои материалов изгибаются под определенными углами для создания муаровых узоров. Эти конфигурации значительно изменяют поведение электронов внутри вещества, что приводит к свойствам, которых нет в обычных кристаллах.

Основополагающая идея была впервые продемонстрирована Андреем и ее командой в 2009 году, когда они показали, что муаровые узоры в скрученном графене кардинально меняют его электронную структуру. Это открытие помогло заложить основы твистроники.

Электроны - это крошечные частицы, которые перемещаются в материалах и отвечают за проведение электричества. В обычных кристаллах, которые обладают повторяющимся рисунком атомов, образующих идеально расположенную сетку, способ перемещения электронов хорошо понятен и предсказуем. Если кристалл повернуть или сдвинуть на определенные углы или расстояния, он будет выглядеть одинаково благодаря внутренней характеристике, известной как симметрия.

Однако исследователи обнаружили, что электронные свойства межкристаллов могут значительно изменяться при небольших изменениях в их структуре. Эта изменчивость может привести к новым и необычным свойствам, таким как сверхпроводимость и магнетизм, которые обычно не встречаются в обычных кристаллах. Сверхпроводящие материалы обещают непрерывно протекающий электрический ток, поскольку они проводят электричество с нулевым сопротивлением.

По словам ученых, межкристаллы могли бы стать частью новых схем для электроники с низкими потерями и атомных датчиков, которые могли бы сыграть определенную роль в создании квантовых компьютеров и обеспечить новые формы потребительских технологий.

Эти материалы также открывают перспективу использования в качестве основы для более экологичных электронных технологий.

"Поскольку эти структуры могут быть изготовлены из обильных, нетоксичных элементов, таких как углерод, бор и азот, а не из редкоземельных элементов, они также предлагают более устойчивый и масштабируемый путь для будущих технологий", - сказал Андрей.

Межкристаллы отличаются не только от обычных кристаллов. Они также отличаются от квазикристаллов, особого типа кристаллов, открытого в 1982 году, с упорядоченной структурой, но без повторяющегося рисунка, характерного для обычных кристаллов.

Члены исследовательской группы назвали свое открытие "интеркристаллами", потому что они представляют собой смесь кристаллов и квазикристаллов: они имеют неповторяющиеся структуры, подобные квазикристаллам, но имеют общие симметрии с обычными кристаллами.

"Открытие квазикристаллов в 1980-х годах бросило вызов старым правилам об атомном порядке", - сказал Андрей. "С intercrystals мы идем еще дальше, показывая, что материалы могут быть сконструированы таким образом, чтобы получать доступ к новым фазам материи, используя геометрические нарушения в наименьшем масштабе".

Исследователи из Рутгерса с оптимизмом смотрят на будущее применение межкристаллов, открывающих новые возможности для изучения свойств материалов и манипулирования ими на атомном уровне.

"Это только начало", - сказал Пиксли. "Мы с нетерпением ждем, куда приведет нас это открытие и как оно повлияет на технологии и науку в ближайшие годы".

Среди других исследователей Рутгерса, которые внесли свой вклад в исследование, были научные сотрудники Синьюань Лай, Гохонг Ли и Анджела Коу с факультета физики и астрономии.

Ученые из Национального института материаловедения Японии также внесли свой вклад в исследование.