Твистроника (от англ.twist и англ.electronics) — раздел физики твёрдого тела, в котором исследуется вопрос влияния угла поворота (скручивания) между слоями двумерных материалов на их физические свойства[1][2]. Экспериментально и теоретически было показано, что такие материалы, как двухслойный графен, имеют совершенно разное электронное поведение, в диапазоне от непроводящего до сверхпроводящего, зависящее от угла разориентации между слоями[3][4]. Термин впервые появился в работах исследовательской группы Эфтимиоса Каксираса из Гарвардского университета при теоретическом рассмотрении сверхрешёток графена[1][5].
Муаровый узор на атомном масштабе создается путем наложения двух повёрнутых относительно друг друга двух листов графена, формируя гексагональную решетку с большим периодом.
В 2007 году физик из Национального университета СингапураАнтонио Кастро Нето[en] выдвинул гипотезу о том, что прижатие двух смещённых друг относительно друга листов графена может привести к возникновению новых электрических свойств, и отдельно предположил, что графен может открыть путь к сверхпроводимости, но не рассмотрел эти две идеи совместно[4]. В 2010 году исследователи из Технического университета имени Федерико Санта-Мария в Чили обнаружили, что при определённом угле, близком к 1 градусу, вместо линейного закона дисперсии для электронной структуры скрученного двухслойного графена возникает состояние с нулевой скоростью Ферми, то есть зона становится полностью плоской[6]. Исходя из этого, они предположили, что в системе могут возникать коллективные эффекты. В 2011 году Аллан Макдональд[en] и Рафи Бистрицер[en], используя простую теоретическую модель, обнаружили, что для ранее найденного «магического угла» количество энергии, которое потребуется свободному электрону для туннелирования между двумя листами графена, радикально меняется[7]. В 2017 году исследовательская группа Эфтимиоса Каксираса из Гарвардского университета использовала подробные квантово-механические расчёты, чтобы уточнить значение угла поворота между двумя слоями графена, который может вызвать необычное поведение электронов в этой двумерной системе[1]. В 2018 году группа Пабло Харильо-Эрреро, профессора Массачусетского технологического института, обнаружила, что магический угол привёл к необычным электрическим свойствам, предсказанным учеными из Техасского университета в Остине[8]. При вращении на 1,1 градуса при достаточно низких температурах электроны переходят из одного слоя в другой, создавая решётку, и демонстрируют сверхпроводимость[9].
Публикация этих открытий привела к появлению множества теоретических работ, направленных на понимание и объяснение этого явления[10], а также к многочисленным экспериментам[3] с использованием разного количества слоёв, углов поворота слоёв относительно друг друга и различных материалов[4][11].
Анимация для муарова узора. Здесь показаны две наложенных друг на друга решётки, одна из которых поворачивается в общей сложности на 90 градусов. Изменение угла поворота меняется периодичность.
Теоретические предсказания сверхпроводимости были подтверждены группой Пабло Харильо-Эрреро из Массачусетского технологического института и коллегами из Гарвардского университета и Национального института материаловедения в Цукубе (Япония). В 2018 году они подтвердили, что сверхпроводимость существует в двухслойном графене, где один слой повернут на угол 1,1° относительно другого, образуя муаровый узор, при температуре 1,7 К[2][12][13]. В магнитном поле сверхпроводящее состояние при некоторых концентрациях переходило в диэлектрическое.
Ещё одним достижением в твистронике является открытие метода включения и выключения сверхпроводящих путей с помощью небольшого перепада напряжения[14].
Также были проведены эксперименты с использованием комбинаций слоёв графена с другими материалами, которые образуют гетероструктуры в виде атомарно тонких листов, удерживаемых вместе слабой силой Ван-дер-Ваальса[15]. Например, исследование, опубликованное в журнале Science в июле 2019 года, показало, что с добавлением решётки нитрида бора между двумя листами графена, под углом 1,17° возникали уникальные орбитальные ферромагнитные эффекты, которые можно было использовать для реализации памяти в квантовых компьютерах[16]. Дальнейшие спектроскопические исследования скрученного под магическим углом двухслойного графена показали сильные электрон-электронные корреляции[17].
Исследователи из Северо-Восточного университета в Бостоне обнаружили, что при определённой степени поворота между двумя двумерными элементарными слоями селенида и дихалькогенида висмута возникает слой, состоящий только из электронов[18]. Квантовые и физические эффекты выравнивания между двумя слоями, по-видимому, создают области с «лужами», которые захватывают электроны в стабильную решётку. Поскольку эта стабильная решётка состоит только из электронов, то это первая наблюдаемая неатомная решётка, которая предлагает новые возможности для контроля, измерения и изучения транспорта электронов.
Было показано, что трёхслойная конструкция, состоящая из двух слоёв графена с двумерным слоем нитрида бора, обладает сверхпроводящей, диэлектричеcкой и ферромагнитной фазами[19].
Идеи твистроники в последние годы находят всё более широкое применение для управления распространением света в системах нанофотоники[20]. Ряд работ непосредственно вдохновлён исследованиями электронных свойств слоистых структур и по аналогии рассматривает оптические свойства систем из повёрнутых друг относительно друга двумерных материалов. Муаровые сверхрешётки могут использоваться, например, в качестве фотонного кристалла для плазмон-поляритонов в графене[21], для управления свойствами экситонов в системах на основе полупроводниковых материалов (двумерных дихалькогенидов переходных металлов)[22], для управления дисперсией поверхностных поляритонов, что позволяет достигать при некотором «магическом» угле режима каналирования электромагнитных волн[23][24], для реализации лазерной генерации в фотонной граферноподобной структуре[25]. К твистронике также примыкает изучение уложенных друг на друга и повёрнутых на некоторый угол метаповерхностей для реализации хирального или бианизотропного отклика[26].
↑ 123Carr, Stephen (2017-02-17). “Twistronics: Manipulating the Electronic Properties of Two-dimensional Layered Structures through their Twist Angle”. Physical Review B. 95 (7): 075420. arXiv:1611.00649. DOI:10.1103/PhysRevB.95.075420. ISSN2469-9950.
↑Hu G., Qiu C.-W., Alù A. Twistronics for photons: opinion // Optical Materials Express. — 2021. — Vol. 11. — P. 1377-1382. — doi:10.1364/OME.423521.
↑Sunku S.S. et al. Photonic crystals for nano-light in moiré graphene superlattices // Science. — 2018. — Vol. 362. — P. 1153-1156. — doi:10.1126/science.aau5144.
↑Yu H. et al. Moiré excitons: From programmable quantum emitter arrays to spin-orbit–coupled artificial lattices // Science Advances. — 2017. — Vol. 3. — P. e1701696. — doi:10.1126/sciadv.1701696.
↑Hu G., Krasnok A., Mazor Y., Qiu C.-W., Alù A. Moiré Hyperbolic Metasurfaces // Nano Letters. — 2020. — Vol. 20. — P. 3217–3224. — doi:10.1021/acs.nanolett.9b05319.
↑Hu G. et al. Topological polaritons and photonic magic angles in twisted α-MoO3 bilayers // Nature. — 2020. — Vol. 582. — P. 209–213. — doi:10.1038/s41586-020-2359-9.
↑Mao X.R. et al. Magic-angle lasers in nanostructured moiré superlattice // Nature Nanotechnology. — 2021. — Vol. 16. — P. 1099–1105. — doi:10.1038/s41565-021-00956-7.
↑Hu G. et al. Tailoring Light with Layered and Moiré Metasurfaces // Trends in Chemistry. — 2021. — Vol. 3. — P. 342-358. — doi:10.1016/j.trechm.2021.02.004.
