Twistronics (din engleză twist și engleză electronics ) este o ramură a fizicii stării solide care studiază influența unghiului de rotație (de răsucire) dintre straturi de materiale bidimensionale asupra proprietăților lor fizice [1] [2] . S-a demonstrat experimental și teoretic că materiale precum grafenul cu două straturi au un comportament electronic complet diferit, variind de la neconductiv la supraconductor , în funcție de unghiul de orientare greșită dintre straturi [3] [4] . Termenul a apărut pentru prima dată în lucrările grupului de cercetare al lui Efthymios Kaxiras de la Universitatea Harvard, în timpul examinării teoretice a superrețelelor de grafen [1] [5] .
În 2007, fizicianul de la Universitatea Națională din Singapore Antonio Castro Neto a emis ipoteza că apăsarea a două foi de grafen decalate una de cealaltă ar putea duce la noi proprietăți electrice și a sugerat separat că grafenul ar putea deschide calea către supraconductivitate, dar nu a luat în considerare aceste două idei. în comun [4] . În 2010, cercetătorii de la Universitatea Tehnică Federico Santa Maria din Chile au descoperit că la un anumit unghi aproape de 1 grad, în loc de o lege de dispersie liniară pentru structura electronică a grafenului răsucit cu două straturi, apare o stare cu o viteză Fermi zero. , adică zona devine complet plată [ 6] . Pe baza acestui fapt, ei au sugerat că ar putea apărea efecte colective în sistem. În 2011, Allan McDonald și Rafi Bistritzer , folosind un model teoretic simplu, au descoperit că pentru „unghiul magic” găsit anterior, cantitatea de energie de care un electron liber ar avea nevoie pentru a trece între două foi de grafen se modifică. radical [7] . În 2017, echipa de cercetare a lui Efthymios Kaxiras de la Universitatea Harvard a folosit calcule mecanice cuantice detaliate pentru a rafina semnificația unghiului de rotație dintre două straturi de grafen, care poate provoca un comportament neobișnuit al electronilor în acest sistem bidimensional [1] . În 2018, grupul lui Pablo Jarillo-Herrero , profesor MIT , a descoperit că unghiul magic a dus la proprietățile electrice neobișnuite prezise de oamenii de știință de la Universitatea Texas din Austin [8] . Când se rotesc cu 1,1 grade la temperaturi suficient de scăzute, electronii trec de la un strat la altul, creând o rețea și demonstrează supraconductivitate [9] .
Publicarea acestor descoperiri a dus la apariția multor lucrări teoretice care vizează înțelegerea și explicarea acestui fenomen [10] , precum și numeroase experimente [3] folosind un număr diferit de straturi, unghiuri de rotație ale straturilor unul față de celălalt și diverse materiale [4] [11] .
Predicțiile teoretice ale supraconductivității au fost confirmate de grupul lui Pablo Jarillo-Herrero de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts și de colegii de la Universitatea Harvard și de la Institutul Național de Știința Materialelor din Tsukuba (Japonia). În 2018, ei au confirmat că supraconductivitate există în grafenul cu două straturi , unde un strat este rotit cu 1,1° față de celălalt, formând un model moiré , la o temperatură de 1,7 K [2] [12] [13] . Într-un câmp magnetic, starea supraconductoare la anumite concentrații a trecut în starea dielectrică.
O altă realizare în twistonică este descoperirea unei metode de pornire și oprire a căilor supraconductoare folosind o mică cădere de tensiune [14] .
Experimentele au fost, de asemenea, efectuate folosind combinații de straturi de grafen cu alte materiale care formează heterostructuri sub formă de foi subțiri atomic ținute împreună de o forță van der Waals slabă [15] . De exemplu, un studiu publicat în revista Science în iulie 2019 a arătat că, odată cu adăugarea unei rețele de nitrură de bor între două foi de grafen, la un unghi de 1,17°, au apărut efecte feromagnetice orbitale unice care ar putea fi folosite pentru a implementa memoria în cuantică. calculatoare [16 ] . Alte studii spectroscopice ale grafenului cu două straturi răsucite la un unghi magic au arătat corelații puternice electron-electron [17] .
Cercetătorii de la Universitatea Northeastern din Boston au descoperit că, la un anumit grad de rotație, între două straturi elementare bidimensionale de selenidă și dicalcogenură de bismut apare un strat format doar din electroni [18] . Efectele de aliniere cuantică și fizică dintre cele două straturi par să creeze regiuni „bălți” care prind electronii într-o rețea stabilă. Deoarece această rețea stabilă este formată doar din electroni, este prima rețea non-atomică observată și oferă noi posibilități pentru controlul, măsurarea și studierea transportului de electroni.
S-a demonstrat că o structură cu trei straturi, constând din două straturi de grafen cu un strat bidimensional de nitrură de bor, are faze supraconductoare, dielectrice și feromagnetice [19] .
Ideile Twistronics au fost din ce în ce mai folosite în ultimii ani pentru a controla propagarea luminii în sistemele nanofotonice [20] . O serie de lucrări sunt direct inspirate din studiile proprietăților electronice ale structurilor stratificate și, prin analogie, iau în considerare proprietățile optice ale sistemelor de materiale bidimensionale rotite unele față de altele. Superrețele Moiré pot fi folosite, de exemplu, ca cristal fotonic pentru polaritonii plasmonilor din grafen [21] , pentru a controla proprietățile excitonilor în sistemele bazate pe materiale semiconductoare ( dicalcogenuri bidimensionale ale metalelor de tranziție ) [22] , pentru a controla dispersia a polaritonilor de suprafață , ceea ce face posibilă realizarea la un anumit unghi „magic” a modului de canalizare a undelor electromagnetice [23] [24] , pentru a implementa generarea laser într-o structură asemănătoare unui grapher fotonic [25] . Twistronica este, de asemenea, legată de studiul metasuprafețelor stivuite una peste alta și rotite la un anumit unghi pentru a implementa un răspuns chiral sau bianizotrop [26] .