Учёные исследуют «супермуаровые» узоры в трёхслойном графене
Иллюстрация супермуаровых узоров в трёх скрученных слоях графена. Автор: Гарвардская школа инженерии и прикладных наук им. Джона А. Полсона
Несколько лет назад физики с удивлением обнаружили, что наложение и небольшое скручивание двух атомарно тонких слоёв материала вроде графена создаёт узор, который меняет свойства материала и даже может превратить его в сверхпроводник. Такой наложенный узор, похожий на эффект от двух слегка смещённых оконных сеток, называется муаровым узором.
Но почему остановливаться на этом? Оказалось, что добавление третьего слоя, где каждый слой скручен под немного разными углами, создаёт ещё более сложные интерференционные узоры, известные как супермуаровые (или «муар муаров»). Эти узоры кардинально меняют движение электронов в материале, но до недавнего времени учёные испытывали трудности с точным измерением происходящих изменений.
Теперь физики-прикладники из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук (SEAS) использовали специально разработанный микроскоп для исследования свойств супермуаровых узоров в трёхслойном графене с беспрецедентной точностью. С его помощью они обнаружили новые состояния материи, где электроны «застревают» или образуют необычные группы, что приводит к изменениям в электронном поведении всей системы и открывает двери для изучения слоистых материалов с точно контролируемыми свойствами.
Исследование, опубликованное в журнале Science, проводилось под руководством бывшего постдока Гарвардской квантовой инициативы Юнлонга Се и бывшего аспиранта SEAS Эндрю Пирса, работавших в лаборатории профессора Амира Якуби.
Сверхдлинные супермуаровые узоры в трёхслойных материалах ранее считались незначительными дефектами на фоне более простых муаровых структур, возникающих в двухслойных системах. Новое исследование опровергает это предположение и вводит концепцию «супермуаровой инженерии» — использования дополнительных узоров для изучения свойств этих уникальных материалов. Супермуаровый узор относительно велик и легко контролируется, что открывает возможности для создания экзотических материалов для тонкой электроники и других применений.
«Если бы перед этим исследованием меня спросили, полезен ли супермуар, я бы, наверное, сказал, что это просто помеха», — признался Пирс, ныне постдок в Корнелле. «Но оказалось, что он даёт нам новую информацию о системе — информацию, которую было бы трудно получить другими методами».
Понимание супермуаровых узоров было ограничено тем, что они могут значительно варьироваться в разных областях образца. Чтобы решить эту проблему, исследователи использовали микроскоп на основе одноэлектронного транзистора, разработанный в лаборатории Якуби. Этот инструмент способен исследовать материалы с пространственным разрешением около 100 нанометров и чувствителен к изменениям отдельных электронов.
Микроскоп позволил команде обнаружить малейшие изменения в муаровых и супермуаровых узорах в двух- и трёхслойном графене, а также связанные с ними электронные свойства. Анализируя корреляции между этими параметрами, учёные получили новые данные о влиянии супермуаровых узоров на всю систему.
«Этот дополнительный долгосрочный узор, который до сих пор в значительной степени игнорировался, может быть использован как зонд для понимания свойств исходного материала», — пояснил Се, ныне доцент Университета Райса.
Результаты могут углубить понимание квантовых явлений, включая сверхпроводимость, и привести к созданию материалов нового поколения с множеством регулируемых свойств.
Дополнительная информация: Yonglong Xie et al, Strong interactions and isospin symmetry breaking in a supermoiré lattice, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adl2544
0 комментариев