Представьте, что вы берете два тончайших слоя материала, складываете их вместе и слегка поворачиваете один относительно другого. Казалось бы, простая манипуляция — но она полностью меняет свойства материала, превращая его в нечто совершенно новое. Этот эффект, известный как муаровый узор, знаком многим: например, когда вы фотографируете полосатую рубашку, на снимке могут появиться волнообразные искажения. В физике то же самое происходит на атомном уровне, только вместо полос — кристаллические решетки, а вместо камеры — квантовые состояния электронов.

Муаровый узор — это волнообразный рисунок, возникающий при наложении двух периодических структур (например, решеток или сеток). В физике материалов он создает новые квантовые условия для электронов.

До недавнего времени ученые исследовали в основном материалы с гексагональной решеткой, такие как графен, скручивая их вокруг так называемых K-точек — особых зон, где электроны ведут себя симметрично при повороте на 120 градусов. Но теперь международная группа исследователей открыла новый подход: скручивание вокруг M-точек. Это как если бы раньше все играли на одном инструменте, а теперь обнаружили целый оркестр.

До сих пор мы работали лишь с крошечной частью возможных материалов, — объясняет Дмитрий Кэлугэру из Оксфорда. — Сместив фокус на M-точки, мы открываем совершенно новые квантовые состояния.

Команда проанализировала сотни материалов и выбрала два наиболее перспективных — SnSe₂ и ZrS₂.

Оказалось, что при скручивании их слоев под углом около трех градусов электроны начинают двигаться медленнее, а их взаимодействие усиливается.

Результаты опубликованы в издании Nature.

Это создает условия для возникновения экзотических состояний, таких как квантовые спиновые жидкости — загадочные фазы материи, которые могут привести к высокотемпературной сверхпроводимости.

Раньше такие состояния было почти невозможно изучать, — говорит Хаою Ху из Принстона. — Но теперь, благодаря контролируемому скручиванию, у нас появился шанс.

Теория уже подтверждается практикой: химики синтезировали кристаллы предсказанных материалов, а специалисты по двумерным структурам готовят их для экспериментов.

Каждый новый поворот приносит сюрпризы, — отмечает профессор Берневиг. — Возможности здесь практически безграничны.

Этот прорыв может привести к нескольким практическим применениям:

• Квантовые симуляторы — системы, которые помогут изучать сложные явления, недоступные для обычных компьютеров.
• Сверхчувствительные датчики — например, для медицинской диагностики или безопасности.
• Новые типы сверхпроводников — возможно, более эффективных и работающих при более высоких температурах.

Но главное — это контроль. Раньше квантовые состояния приходилось искать в редких природных материалах, теперь их можно проектировать.

Хотя работа впечатляет, пока неясно, насколько стабильны эти новые состояния. Эксперименты еще впереди, и возможны неожиданные сложности — например, дефекты в кристаллах или влияние температуры.

Ранее ученые заметили, как муар заставляет материю двигаться.