Маленький поворот — и свойства материала меняются кардинально. Когда два атомарно тонких кристалла складывают друг на друга и слегка поворачивают, возникает крупномасштабный узор муара, который перестраивает движение и взаимодействие электронов. Именно так работает твистроника — область, уже подарившая сверхпроводимость и дробные черновские изоляторы в графене и дихалькогенидах переходных металлов.
Исследователи из более чем десятка институтов, включая Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids в Дрездене, проанализировали почти 9000 двумерных материалов из вычислительных баз данных. Они применили расширенную топологическую квантовую химию, чтобы описать электронные свойства и симметрии кристаллов. В итоге выделили 4073 материала с нетривиальной топологией или особыми ограничениями на расположение электронного заряда.
Из этого массива отобрали особенно перспективные кандидаты для скручивания: 61 полуметалл и 1568 изоляторов. Их электронные зоны позволяют получать узкие полосы, где взаимодействие электронов начинает доминировать над их движением. Такие условия благоприятны для сверхпроводимости, магнетизма и дробных квантовых состояний.
Кандидаты охватывают разнообразные кристаллические решётки — от гексагональных до косоугольных. Это открывает возможность создавать квантовые симуляторы под конкретные модели: скрученные квадратные решётки могут имитировать модель Хаббарда, важную для высокотемпературной сверхпроводимости, а прямоугольные — поведение электронов в одномерных цепочках.
Теоретические находки уже подкреплены экспериментом. Учёные вырастили объёмные кристаллы нескольких кандидатов, в том числе диселенида олова и дисульфида гафния, успешно отслоили их до монослоёв и собрали первые устройства. В Дрездене под руководством Клаудии Фельзер получили материалы нужного качества для дальнейшего скручивания и измерений при милликельвиновых температурах.
Два новых каталога дают систематический инструмент: один описывает электронные «строительные блоки», второй указывает, какие из них лучше всего подходят для твистроники. Теперь исследователи смогут подбирать материал и угол скручивания под конкретный вопрос о квантовой материи, а не ограничиваться несколькими известными платформами.
Эксперимент порой подсказывает вопросы, которые раньше даже не приходили в голову.
