Открытие шесть лет назад произвело фурор в мире физики конденсированного состояния: сверхтонкий углерод, уложенный в два слегка перекошенных слоя, стал сверхпроводником, а изменение угла закручивания между слоями могло переключать их электрические свойства. Знаменательная статья 2018 года, описывающая «сверхрешетки графена с магическим углом», положила начало новому направлению под названием «твистроника», а ее первым автором был тогдашний аспирант Массачусетского технологического института и недавний младший научный сотрудник Гарварда Юань Цао.

Вместе с физиками из Гарварда Амиром Якоби, Эриком Мазуром и другими Цао и его коллеги продолжили эту основополагающую работу, проложив путь для дальнейшего развития науки твистроники, изобретя более простой способ скручивания и изучения многих типов материалов.

Новая статья в Nature описывает машину размером с ноготь, которая может скручивать тонкие материалы по желанию, заменяя необходимость изготавливать скрученные устройства одно за другим. Тонкие, 2D-материалы со свойствами, которые можно легко изучать и которыми можно манипулировать, имеют огромное значение для более производительных транзисторов, оптических устройств , таких как солнечные элементы, и квантовых компьютеров, среди прочего.

«Эта разработка делает скручивание таким же простым, как управление электронной плотностью двумерных материалов», — сказал Якоби, профессор физики и прикладной физики Гарварда. «Управление плотностью было основным рычагом для открытия новых фаз материи в низкоразмерной материи, и теперь мы можем контролировать как плотность, так и угол скручивания, открывая бесконечные возможности для открытий».

Као впервые создал скрученный двухслойный графен, будучи аспирантом в лаборатории Пабло Харильо-Эрреро из Массачусетского технологического института. Это достижение было захватывающим, но его омрачали трудности с воспроизведением фактического скручивания.

В то время каждое скрученное устройство было трудно производить, и, как следствие, уникальным и отнимающим много времени, объяснил Цао. Чтобы заниматься наукой с этими устройствами, им нужны были десятки или даже сотни из них. Они задавались вопросом, смогут ли они сделать «одно устройство, чтобы скручивать их все», сказал Цао — микромашину, которая могла бы скручивать два слоя материала по желанию, устраняя необходимость в сотнях уникальных образцов. Они называют свое новое устройство универсальной платформой привода на основе МЭМС (микроэлектромеханической системы) для 2D-материалов, или сокращенно MEGA2D.

Лаборатории Якоби и Мазура совместно работали над разработкой нового набора инструментов, который можно применить к графену и другим материалам.

«Благодаря этой новой «ручке» через нашу технологию MEGA2D мы представляем, что многие глубинные головоломки в скрученном графене и других материалах могут быть решены в два счета», — сказал Као, ныне доцент Калифорнийского университета в Беркли. «Это, безусловно, также принесет другие новые открытия по пути».

В статье исследователи продемонстрировали полезность своего устройства с двумя кусками гексагонального нитрида бора, близкого родственника графена. Они смогли изучить оптические свойства двухслойного устройства, обнаружив доказательства существования квазичастиц с желанными топологическими свойствами.

Простота их новой системы открывает несколько научных путей, например, использование твистронных кристаллов на основе гексагонального нитрида бора для создания источников света, которые можно использовать для оптической связи с малыми потерями.

«Мы надеемся, что наш подход будет принят многими другими исследователями в этой перспективной области, и все смогут извлечь выгоду из этих новых возможностей», — сказал Цао.

Первым автором статьи является эксперт в области нанонауки и оптики Хаонин Тан, научный сотрудник лаборатории Мазура и научный сотрудник Гарвардской квантовой инициативы, который отметил, что разработка технологии MEGA2D была длительным процессом проб и ошибок.

«Мы не знали многого о том, как контролировать интерфейсы 2D-материалов в реальном времени, а существующие методы просто не справлялись», — сказала она. «Проведя бесчисленные часы в чистой комнате и дорабатывая конструкцию MEMS — несмотря на множество неудачных попыток — мы наконец нашли рабочее решение примерно через год экспериментов». Все нанопроизводство происходило в Гарвардском центре наномасштабных систем, где сотрудники оказывали неоценимую техническую поддержку, добавила Тан.

«Нанопроизводство устройства, объединяющего технологию MEMS с двухслойной структурой, — это настоящий tour de force», — сказал Мазур, профессор физики и прикладной физики Балканского университета. «Возможность настраивать нелинейный отклик полученного устройства открывает двери для совершенно нового класса устройств в оптике и фотонике».