Een kleine draaiing — en de eigenschappen van een materiaal veranderen ingrijpend. Wanneer twee atomair dunne kristallen op elkaar worden gelegd en licht worden gedraaid, ontstaat een grootschalig moirépatroon dat de beweging en wisselwerking van elektronen herschikt. Precies zo werkt twistronica — een vakgebied dat al supergeleiding en fractionele Chern-isolatoren heeft opgeleverd in grafeen en overgangsmetaaldichalcogeniden.
Onderzoekers van meer dan tien instituten, waaronder het Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids in Dresden, analyseerden bijna 9000 tweedimensionale materialen uit computationele databases. Ze pasten een uitgebreide topologische kwantumchemie toe om de elektronische eigenschappen en symmetrieën van de kristallen te beschrijven. Uiteindelijk selecteerden ze 4073 materialen met een niet-triviale topologie of bijzondere beperkingen op de plaatsing van elektronische lading.
Uit deze verzameling werden bijzonder veelbelovende kandidaten voor verdraaiing gekozen: 61 halfmetaal en 1568 isolatoren. Hun elektronische zones maken het mogelijk smalle banden te verkrijgen, waarin de wisselwerking tussen elektronen de overhand begint te krijgen boven hun beweging. Dergelijke omstandigheden zijn gunstig voor supergeleiding, magnetisme en fractionele kwantumtoestanden.
De kandidaten bestrijken uiteenlopende kristalroosters — van hexagonale tot scheefhoekige. Dit opent de mogelijkheid kwantumsimulators voor specifieke modellen te bouwen: verdraaide vierkante roosters kunnen het Hubbard-model nabootsen, dat belangrijk is voor hoge-temperatuursupergeleiding, en rechthoekige het gedrag van elektronen in eendimensionale ketens.
De theoretische bevindingen zijn al door experimenten ondersteund. Wetenschappers kweekten bulkkristallen van verschillende kandidaten, waaronder tindiselenide en hafniumdisulfide, wisten ze met succes af te pellen tot monolagen en bouwden de eerste devices. In Dresden verkregen ze onder leiding van Claudia Felser materialen van de vereiste kwaliteit voor verdere verdraaiing en metingen bij millikelvintemperaturen.
Twee nieuwe catalogi bieden een systematisch instrument: de ene beschrijft de elektronische ‘bouwstenen’, de andere geeft aan welke daarvan het beste geschikt zijn voor twistronica. Nu kunnen onderzoekers materiaal en verdraaiingshoek afstemmen op een specifieke vraag over kwantummaterie, in plaats van zich te beperken tot een paar bekende platforms.
Het experiment reikt soms vragen aan die eerder zelfs niet in je opkwamen.
