Wystarczy niewielki obrót, by właściwości materiału zmieniły się diametralnie. Gdy dwa atomowo cienkie kryształy nałoży się na siebie i lekko obróci, powstaje wielkoskalowy wzór moiré, który przekształca ruch i oddziaływanie elektronów. Właśnie tak działa twistronika — dziedzina, która dała już nadprzewodnictwo i ułamkowe izolatory Chernovskie w grafenie oraz dichalkogenkach metali przejściowych.
Badacze z ponad dziesięciu instytucji, w tym z Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids w Dreźnie, przeanalizowali niemal 9000 dwuwymiarowych materiałów z baz danych obliczeniowych. Zastosowali rozszerzoną topologiczną chemię kwantową, aby opisać właściwości elektronowe i symetrie kryształów. W rezultacie wyodrębnili 4073 materiałów o nietrywialnej topologii lub szczególnych ograniczeniach dotyczących rozmieszczenia ładunku elektronowego.
Z tego zbioru wybrano szczególnie obiecujących kandydatów do skręcania: 61 półmetal i 1568 izolatorów. Ich strefy elektronowe pozwalają uzyskać wąskie pasma, w których oddziaływanie elektronów zaczyna dominować nad ich ruchem. Takie warunki sprzyjają nadprzewodnictwu, magnetyzmowi i ułamkowym stanom kwantowym.
Kandydaci obejmują różnorodne sieci krystaliczne — od heksagonalnych po skośne. Otwiera to możliwość tworzenia symulatorów kwantowych pod konkretne modele: skręcone sieci kwadratowe mogą imitować model Hubbarda, istotny dla nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego, a prostokątne — zachowanie elektronów w jednowymiarowych łańcuchach.
Teoretyczne odkrycia zostały już potwierdzone eksperymentalnie. Naukowcy wyhodowali objętościowe kryształy kilku kandydatów, w tym diselenku cyny i disiarczku hafnu, z powodzeniem złuszczyli je do monowarstw i zbudowali pierwsze urządzenia. W Dreźnie pod kierownictwem Claudii Felser otrzymano materiały o odpowiedniej jakości do dalszego skręcania i pomiarów w temperaturach milikelwinowych.
Dwa nowe katalogi dają systematyczne narzędzie: jeden opisuje elektronowe „klocki budulcowe”, drugi wskazuje, które z nich najlepiej nadają się do twistroniki. Teraz badacze będą mogli dobierać materiał i kąt skręcenia pod konkretne pytanie o materię kwantową, zamiast ograniczać się do kilku znanych platform.
Eksperyment niekiedy podsuwa pytania, które wcześniej nawet nie przyszłyby do głowy.
