Когда два слоя скручены, электроны из каждого слоя сильно интерферируют, изменяя их объединенный квантовый ландшафт. Ярким примером этого эффекта является скрученный двухслойный графен, в котором неожиданно возникает сверхпроводимость - состояние, в котором электроны текут без сопротивления, даже несмотря на то, что слои графена по отдельности не могут стать сверхпроводящими.

Электроны в материалах обладают квантовым числом, называемым импульсом, которое, по существу, описывает их квантово-механическое состояние движения. До сих пор основное внимание уделялось гексагональным решеткам, скрученным вокруг так называемых K-точек - особых точек электронного импульса, симметричных при повороте на 120 градусов. Экспериментально было исследовано лишь несколько материалов, таких как графен, MoTe2, MoSe2 и WSe2. Однако в новом исследовании, опубликованном в Nature, команда международных исследователей представляет совершенно новую парадигму скручивания, основанную на M-точке импульса электрона, значительно расширяя муаровый ландшафт.

"До сих пор все закручивания происходили вокруг точек K, ограничивая нас небольшим уголком материальной вселенной", - объясняет Думитру Кэлугэру (PhD 2024, Принстон), научный сотрудник Леверхульма-Пайерлса в Оксфордском университете. "Переключив наше внимание на точки M, мы открываем совершенно новый класс скрученных квантовых материалов с совершенно новым квантовым поведением. Положение минимума электронного диапазона является ключевым", - говорит Кэлугэру.

Статья представляет собой значительное международное сотрудничество на многих континентах и в институтах, включая Принстонский университет (США), Международный физический центр Доностиа (Испания), Оксфордский университет (Великобритания), Общество Макса Планка (Германия), Корнельский университет (США), Мюнхенский университет Людвига Максимилиана (Германия), Университет Шербрук (Канада) и Флоридский университет (США).

Исследовательская группа, в которую входят физики-теоретики, физики-вычислители и международная группа материаловедов и химиков, которые приступили к синтезу и расслаиванию предлагаемых материалов, начала с определения сотен материалов-кандидатов, подходящих для этого нового типа скручивания. Эти материалы были систематически классифицированы на основе положения минимума их электронной полосы - критической характеристики, контролирующей результирующие квантовые свойства скрученных слоев. Из этих материалов два (SnSe ₂ и ZrS ₂) - с минимумом полосы в точке M - были выбраны для углубленного текущего исследования.

"В отличие от K-точечного скручивания, где муаровые полосы обычно проявляют топологические характеристики, мы обнаружили, что M-точечные скрученные полосы топологически тривиальны, но при этом удивительно плоские", - объяснил Хаою Ху, постдокторский исследователь из Принстона. "Однако полосы в точке М обладают ранее незамеченным типом симметрии, что делает их весьма необычными, а иногда даже одномерными. Это фундаментально изменяет их квантовое поведение", - добавил Ху.

С помощью обширных микроскопических расчетов ab initio, потребовавших более шести месяцев вычислительных усилий, Йи Цзян и Ханьци Пи (Международный физический центр Доностии) продемонстрировали, что электронные полосы становятся значительно сплющенными при малых углах скручивания, составляющих около трех градусов. Сглаживание электронных полос эффективно замедляет электроны, усиливая их взаимные взаимодействия и приводя к возникновению новых квантовых явлений.

"Это уплощение может локализовать электроны либо в гексагональной решетке, либо в решетке кагоме", - отметил Цзян. Пи далее уточнил: "Такая локализация означает, что теперь мы можем экспериментально реализовать различные квантовые состояния, потенциально включая квантовые спиновые жидкости".

Квантовые спиновые жидкости, неуловимые состояния, которые очаровали физиков, обещают захватывающие применения, включая возможные пути к высокотемпературной сверхпроводимости. Однако они никогда не наблюдались окончательно экспериментально в объемных материалах, главным образом из-за крайних трудностей в точном контроле легирования (добавления или удаления электронов) и других важных свойств материала. Однако скрученные материалы обладают большей экспериментальной управляемостью благодаря своей настраиваемой структуре и возможности электростатического стробирования - технологии, которая позволяет легировать электроны без разрушения материала, преодолевая многие из этих исторических препятствий.

Теоретические предсказания команды и подробные электронные модели представляют собой важный шаг на пути к наблюдению этих состояний в реалистичных материалах. Другие идентифицированные фазы вещества, такие как однонаправленные спиновые жидкости и фазы с ортонормированными димерными валентными связями, являются совершенно новыми и уникальными для системы M-point.

Тем не менее, это исследование выходит за рамки теории. Сотрудники в области квантовой химии материалов - Лесли Шуп (Принстонский университет) и Клаудия Фельзер (Институт Макса Планка, Дрезден) - уже успешно синтезировали объемные кристаллы нескольких предсказанных материалов-кандидатов, сделав важный первый шаг к практической реализации. Ведущие мировые эксперты в области 2D-материалов, в том числе Дмитрий Ефетов (Мюнхенский университет Людвига Максимилиана), Цзе Шань и Кин Фай Мак (оба из Корнельского университета), затем отслаивают эти объемные кристаллы в однослойные листы, чтобы наглядно продемонстрировать экспериментальную осуществимость предлагаемой платформы.

"Экспериментальная реализация этих материалов имеет решающее значение. Будучи скрученными, управляемыми и измеренными, эти новые квантовые состояния могут стать осязаемой реальностью", - сказал Б. Андрей Берневиг, профессор физики Принстонского университета. Каждый новый поворот, который мы исполняем, кажется, преподносит сюрпризы. По сути, эти материалы открывают доступ к квантовым состояниям материи, которые никто не предполагал. Поскольку они настолько поддаются экспериментальному контролю, возможности действительно безграничны", - подчеркнул он.