Une petite rotation — et les propriétés d'un matériau changent radicalement. Lorsque deux cristaux d'une épaisseur atomique sont empilés l'un sur l'autre et légèrement pivotés, un motif de moiré à grande échelle apparaît, qui reconfigure le mouvement et l'interaction des électrons. C'est précisément ainsi que fonctionne la twistronique — un domaine qui a déjà offert la supraconductivité et des isolants de Chern fractionnaires dans le graphène et les dichalcogénures de métaux de transition.
Des chercheurs de plus d'une dizaine d'instituts, dont le Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids de Dresde, ont analysé près de 9000 matériaux bidimensionnels issus de bases de données computationnelles. Ils ont appliqué une chimie quantique topologique étendue pour décrire les propriétés électroniques et les symétries des cristaux. Ils ont ainsi identifié 4073 matériaux présentant une topologie non triviale ou des contraintes particulières sur la localisation de la charge électronique.
Dans cet ensemble, ils ont sélectionné des candidats particulièrement prometteurs pour la torsion : 61 semi-métal et 1568 isolants. Leurs zones électroniques permettent d'obtenir des bandes étroites, où l'interaction entre électrons commence à dominer sur leur mouvement. De telles conditions sont favorables à la supraconductivité, au magnétisme et aux états quantiques fractionnaires.
Les candidats couvrent des réseaux cristallins variés — des hexagonaux aux obliques. Cela ouvre la possibilité de créer des simulateurs quantiques adaptés à des modèles précis : les réseaux carrés torsadés peuvent imiter le modèle de Hubbard, important pour la supraconductivité à haute température, tandis que les réseaux rectangulaires reproduisent le comportement des électrons dans des chaînes unidimensionnelles.
Les découvertes théoriques sont déjà étayées par l'expérience. Les scientifiques ont fait croître des cristaux massifs de plusieurs candidats, notamment le diséléniure d'étain et le disulfure de hafnium, les ont exfoliés avec succès jusqu'à obtenir des monocouches et ont assemblé les premiers dispositifs. À Dresde, sous la direction de Claudia Felser, ils ont obtenu des matériaux de la qualité requise pour la torsion et les mesures à des températures de l'ordre du millikelvin.
Deux nouveaux catalogues offrent un outil systématique : l'un décrit les « briques élémentaires » électroniques, l'autre indique lesquelles conviennent le mieux à la twistronique. Les chercheurs pourront désormais choisir le matériau et l'angle de torsion en fonction d'une question précise sur la matière quantique, au lieu de se limiter à quelques plateformes connues.
L'expérience suggère parfois des questions auxquelles on n'aurait jamais pensé auparavant.
